Удивительный мир звука - И Клюкин

Возьмем, например, паровую машину. Источник энергии здесь -- паровой котел, регулятор поступления энергии в движущийся механизм -- золотник, а сама автоколебательная исполнительная система -- движущийся в цилиндре поршень, связанный с колесами локомотива с помощью штока, шатуна и кривошипа.

В обычных часах источником потенциальной энергии служат заведенная пружина или поднятые гири, а распределителем -- анкерный механизм, который приводит в периодическое движение маятник и зубчатые колеса, связанные со стрелками. Разнообразные пневматические инструменты, сирена, электронные генераторы и многие, многие другие автоколебательные системы также исправно служат людям.

Но довольно часто, к сожалению, возникают и нежелательные автоколебания, приводящие к повреждению и даже разрушению сооружений и устройств, а иногда и к гибели людей. В сравнительно недалеком прошлом известны случаи, когда обрушивались от колебаний неправильно рассчитанные мосты при сильных ветрах и ураганах. Для предотвращения разрушения высоких металлических труб, находящихся в ветроопасных местах, был предложен остроумный прием, заключающийся в наварке на наружной поверхности труб по пологой винтовой линии сравнительно тонких невысоких ребер. Эти ребра, уводя обтекающий трубу горизонтальный ветровой поток вверх, препятствовали возникновению за трубой пагубных для нее мощных вихрей.

Большую опасность в котельных установках (в том числе судовых) представляют автоколебания трубок под воздействием постоянных потоков воды или пара. Изменением конструкции трубок, увеличением расстояния между ними для предотвращения их соударений удается в большинстве случаев защитить котлы от выхода из строя.

Два вида автоколебательных процессов вошли как печальной памяти явления в историю самолетостроения и воздухоплавания. Первое из них имеет профессиональное название флаттер. Этому автоколебанию подвержены плоскости самолета и его хвостовое оперение. Само название (англ. flutter -трепетание) указывает на характер явления. Оно сродни колебаниям листьев деревьев на ветру (вспомните, как трепещут на своих податливых черенках листья осины). О сорвавшихся с дерева листьях никто печалиться не станет, на самолете же флаттер буквально за несколько секунд может привести к разрушению плоскостей или оперения и связанным с этим страшным последствиям. В настоящее время достаточно сложный механизм флаттера полностью выяснен, и части самолетов рассчитываются так, чтобы это опаснейшее явление не могло возникнуть.

Другим опасным колебанием явилось шимми -- виляющие движения колеса шасси (преимущественно переднего) при посадке самолета, могущие вызвать его аварию. Как известно, шимми был модным танцем 20-х годов; возможно, это название было использовано авиаторами потому, что виляющее движение колеса в плане несколько напоминало движение ног у исполняющих танец. Теория шимми была дана М. В. Келдышем. Введение в самолетные шасси демпферов и добавочных шарниров позволило исключить аварии и вследствие шимми.

Роль виляющих колебательных движений в технике вообще не так мала, как может казаться. При буксировке плавучих емкостей с определенной скоростью могут возникнуть виляющие автоколебания, приводящие к отрыву буксирных тросов и даже к повреждению самих емкостей.

Судоводители, впервые обнаружившие это явление, по-видимому, не знали, что Рэлей предсказал возможность таких колебаний еще в конце прошлого века на основании результатов весьма изящного опыта. За отсутствием устройств, сообщающих жидкости прямолинейное движение, им был использован наполненный водой сосуд относительно большого диаметра, вращаемый вокруг вертикальной оси. Когда у стенок сосуда, где скорость движения жидкости наибольшая, в воду был опущен груз маятника, то помимо естественного постоянного отклонения по течению жидкости он начал совершать также колебательные движения в перпендикулярном направлении. Итак, мы коснулись автоколебаний приятных (некоторые музыкальные звуки), автоколебаний полезных (составляющих основу устройства некоторых машин и приборов), наконец, автоколебаний опасных. Есть также автоколебания, пусть не особенно опасные, но в достаточной степени раздражающие. Кому из нас не приходилось воевать уже не с поющими, а с ворчащими, рычащими, стонущими трубами в ванной? А скрипы плохо смазанных петель, дверных створок, касающихся пола? Впрочем, не всегда и не всех эти звуки раздражали. В повести Гоголя "Старосветские помещики" есть строки, свидетельствующие, что подобные автоколебания могли и умилять: "Но самое замечательное в доме -- были поющие двери. Как только наставало утро, пение дверей раздавалось по всему дому. Я не могу сказать, отчего они пели: перержавевшие ли петли были тому виною, или сам механик, делавший их, скрыл в них какой-нибудь секрет; но замечательно то, что каждая дверь имела свой особенный голос: дверь, ведущая в спальню, пела самым тоненьким дискантом; дверь в столовую хрипела басом; но та, которая была в сенях, издавала какой-то странный дребезжащий и вместе стонущий звук, так что, вслушиваясь в него, очень ясно, наконец, слышалось: батюшки, я зябну!"

И далее Гоголь пишет:

"Я знаю, что многим очень не нравится сей звук; но я его очень люблю, и если мне случится иногда здесь услышать скрып дверей... боже, какая длинная навевается мне тогда вереница воспоминаний!" Интересно, что сказал бы Гоголь или его милые старички, если бы рядом с ними раздался скрип, вернее, страшный визг тормозов современного автомобиля? Едва ли хоть когда-нибудь и у кого-нибудь эти звуки наших дней смогли бы вызвать милые воспоминания...

ПОБЕДНОЕ ШЕСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Соколов намного обогнал свое время...

Г. Чедд. Звук

Автор должен предупредить читателя, что, несмотря на жизнеутверждающий тон заголовка, в повествовании об ультразвуке будет и доза ламентаций. Но сначала некоторые воспоминания довольно давних лет. Тема их также, естественно, связана с названием. К тому же они радостны, как всякие воспоминания ("что пройдет, то будет мило" -- А. С. Пушкин).

Итак, май 1938 года. Наш учитель, профессор Ленинградского электротехнического института С.Я.Соколов, входит в аудиторию.

-- Что-то вас мало сегодня. Ясно, до сессии еще далеко, а погода хорошая. Пойдем и мы погуляем.

Группа студентов проходит со своим преподавателем мимо первой в стране лаборатории электроакустики, размещающейся в старой церкви. За ней -- парк, тянущийся до одного из рукавов Невы.

Соколов обращается к студентам:

-- Хочу поговорить сегодня с вами о перспективах применения ультразвука. Сейчас в них мало кто верит, а они будут гигантскими и вы еще сами убедитесь в этом. Кстати, несколько лет назад на этих вот деревьях, осенью, когда ветви были без листьев, я развесил восемьсот метров стальной проволоки и убедился, что затухание звука, в том числе и ультразвуковой частоты, в металлах ничтожно.

-- Вы знаете об успехах нашей лаборатории в ультразвуковой дефектоскопии металлов, -- продолжал Сергей Яковлевич. -- Так вот, ультразвук будет "просвечивать" и тело человека, причем в отличие от рентгеновских лучей это совершенно безвредно. С помощью ультразвука мы уже делали эмульсию ртути с маслом и водой. Если мощность звукоизлучения достаточна, можно эмульгировать практически любые компоненты. Но и это далеко не все. Пробовали на металлургическом заводе облучать ультразвуком расплавленный металл. Зернистость его уменьшается во много раз. Можно получать сплавы с высокой степенью однородности структуры. Можно применять ультразвук и для очистки изделий, для соединения металлов друг с другом. А влияние ультразвука на химические реакции? Ведь это поистине безграничная область.

-- Сергей Яковлевич, а где все это описано? -- спрашивает кто-то из нас.

-- Публикуем понемногу результаты в журналах. Но мыслей столько, что не успеваем все описывать. В общем, применения ультразвука будут чрезвычайно многообразны, и очень важно создать электронно-акустический преобразователь, делающий видимым любое ультразвуковое изображение. Сейчас наша кафедра совсем близка к созданию такого преобразователя. (Он вскоре и был создан С. Я. Соколовым -- И. К.)

Прошло четыре десятилетия. Просматриваю только что вышедшие книги по применению ультразвука: "Ультразвуковая технология", 1974; "Применение ультразвука в промышленности", 1975. Конечно, техника значительно усовершенствовалась, вскрыты многие новые закономерности, но некоторые из основных направлений в применении ультразвука все те же, о которых мы слышали в довоенные студенческие годы. Может быть, в этих коллективных монографиях упомянуто хотя бы вскользь имя основателя советской (и, по существу, мировой) ультраакустики, предвосхитившего многие применения ультразвука? Нет, в этих отечественных изданиях (в отличие от некоторых иностранных работ) напрасно было бы искать имена людей, стоявших у истоков ультраакустики...