Знак вопроса 2002 № 02

Применение ультразвука для стирки тканей становится с каждым годом все популярней. Это связано не только с повышающимся интересом населения к такой стирке, а прежде всего с развитием ультразвуковой техники, доходящей почти что до «чудо техники». Традиционные стиральные машины — это агрегаты, по размерам немного меньшие холодильников и занимающие пол ванной комнаты.

Теперь, чтобы ультразвуковые колебания бесшумно проникали между волокнами, достаточно опустить маленький пластмассовый диск в емкость с замоченным бельем, куда предварительно добавить 1–2 грамма порошка на литр воды. Далее остается только подключить устройство к сети, и вы свободны. Через полчаса остается лишь прополоскать идеально чистое белье.

Преимущество ультразвуковой стирки еще и в том, что в отличие от обычных стиральных машин белье не рвется и не изнашивается, а следовательно, дольше сохраняется. Заодно белье еще и дезинфицируется, чего не обеспечивает ни одна стиральная машина в мире. Кроме того, выстиранное белье приобретает легкий аромат озоновой (послегрозовой) свежести.

Ультразвук применяют и для других видов очистки, основанных на иных физических принципах действия. Одна из серьезнейших сегодняшних технических проблем — очищение загрязненного воздуха от пыли, дыма, копоти, тумана, окислов металлов и т. д. Мельчайшие частицы этих веществ из заводских и фабричных труб устремляются вверх, а потом разносятся ветром на большие расстояния. Например, по серому налету на листьях деревьев и на окружающих предметах нетрудно догадаться, что в этом районе находится цементный завод, тысячи тонн цемента теряют заводы в виде распыленных мельчайших частиц при обжиге. То же самое происходит и на химических, алебастровых, сажегазовых и других предприятиях.

С давних пор пользуются пылеулавливающими устройствами, действие которых основано на различных принципах. Это пылеосадочные камеры, ротационные пылеулавители, центробежные уловители, электрофильтры и т. д. Однако все эти устройства громки и не всегда достаточно эффективны. Поэтому ученые продолжают искать новые пути ускорения и повышения качества очистки воздуха от газа и загрязнения.

На одном из международных симпозиумов рассматривалась проблема уменьшения загрязненности воздушной среды. Некоторые ученые в своих докладах отмечали перспективность ультразвукового метода очистки воздуха, так как он обладает многими положительными качествами. Он не зависит от температуры и влажности среды. Ультразвуковые устройства просты в эксплуатации и легко поддаются автоматизации.

Для борьбы с загрязнениями изобретено оригинальное приспособление, осаждающее пыль. Действие его основано на способности звуковых и, в частности, ультразвуковых волн влиять на мельчайшие частицы пыли. Поэтому если оборудовать заводские трубы ультразвуковыми сиренами, то они будут воздействовать на твердые частицы дыма, осаждать в определенных местах и препятствовать их распространению.

Сущность ультразвуковой очистки воздуха в том, что пылинки, которые беспорядочно летают в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. В результате они слипаются и увеличиваются в размере. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Укрупненные частицы быстрее оседают, легче улавливаются обычными фильтрами, и стало быть, лучше очищается воздух.

Ультразвуковые методы очистки воздуха от загрязнений внедряются во многие отрасли промышленности и постоянно совершенствуются. Специалисты считают, что необходимо создание многоступенчатых ультразвуковых осадителей пыли, а также мощных, но экономичных источников питания. Дело в том, что у имеющихся сейчас акустических пылеуловителей есть серьезный недостаток — относительно большой расход электроэнергии. Поэтому акустические пылеуловители применяют пока в основном для улавливания очень ценной и тонкой пыли, например, на свинцовых и бронзоплавильных заводах.

Явление коагуляции с успехом может быть использовано в борьбе с туманами, доставляющими немало забот и неприятностей аэродромной службе, летчикам и морякам. Сколько раз туман был виновником аварий и катастроф! Десятилетиями ученые искали эффективные средства для рассеивания тумана. Некоторые из них уже применяются в районах аэродромов. А как быть на море или в океане, где судно может попасть в зону тумана на несколько дней? Опыты показали, что в данном случае может эффективно помочь ультразвуковая сирена, которая в состоянии рассеять туман на расстоянии 300–400 м. Такую сирену, но меньших размеров, можно установить и на автомобиле.

На страницах «Знака вопроса» мы рассказали лишь о таких областях применения ультразвука, которые понятны и интересны читателю-неспециалисту. Очень многие «профессии» ультразвука настолько уникальны, что рассказать о них в научно-популярном издании невозможно.

УЛЬТРАЗВУК

В НОВОЙ РОЛИ

Ультразвук имеет уже много «профессий» и продолжает успешно «обучаться» новым. Почти каждый день приносит сообщения о технических ультразвуковых новинках, предназначенных для использования либо в научной лаборатории, либо в специализированной клинике, либо в той или иной отрасли производства. Можно сказать, что родилась новая технология, основанная на широком применении ультразвукового поля. Сейчас ультразвук внедряют даже в таких областях науки и техники, которые на первый взгляд не имеют к нему никакого отношения.

Несколько десятилетий назад начала развиваться как самостоятельный раздел физики твердого тела акустоэлектроника. На первый взгляд это сочетание несовместимо: с одной стороны, распространение звуковых упругих колебаний среды, с другой — электроника, т. е. полупроводники, транзисторы, усилители электрических сигналов. И, тем не менее, между ними есть общее. Термин «акустоэлектроника» точно характеризует область физики твердого тела, где изучается влияние звука (ультразвука) на электрические характеристики твердых тел и обратные явления — влияние свободных электронов на акустические свойства этих тел. Эффектов, где проявляется связь «акустика — электроника», довольно много. Безусловно, самым существенным из них является электронное усиление звука в некоторых полупроводниках при подведении к ним электрического поля.

В нашей стране создан прибор, работающий на основе взаимодействия электронов с ультразвуковой волной. Если пропустить через пьезоэлектрический кристалл в одном направлении ультразвуковые волны и электрический! ток, начнется движение электронов. А как только они преодолеют звуковой барьер, т. е. когда их скорость станет больше скорости звука, произойдет усиление звука током, которое может быть очень большим. Один сантиметр длины пьезокристалла позволяет получить усиление в сотни миллионов раз.

Это явление можно использовать также для усиления высокочастотных радиосигналов. Для этого радиосигнал нужно сначала преобразовать в ультразвуковой, а затем вновь — в радиосигнал. Несмотря на потери мощности при преобразованиях, усиление этим методом превышает возможности усилительных вакуумных ламп.

Ультразвук, как и электромагнитные волны, теперь можно обрабатывать радиотехническими способами — генерировать, усиливать, модулировать, фильтровать и т. д. А это открывает перед ультразвуком большие перспективы в области средств связи. В среде, где не распространяются радиоволны, например под водой, на помощь приходят усилители ультразвука.

В комитете по делам изобретений и открытий было зарегистрировано фундаментальное открытие на стыке двух наук — электроники и акустики: так называемые акустоэлектронные эффекты в проводящей среде. Многие важнейшие свойства вещества обусловлены наличием в нем свободных электронов, способных переносить заряд. Это такие свойства вещества, как электропроводность, магнитные и оптические свойства, теплопроводность и другие свойства, которые лежат в основе действия всех электронных приборов. При этом оказывается, что характеристики таких приборов зависят от того, какие там «работают» электроны, т. е. какими они обладают энергиями, скоростями, как они связаны с окружающими атомами.