Мы живем в мире, заполненном звуками. И настолько привыкли к окружающему нас акустическому фону, что не обращаем на него внимания. И только в космосе человек начинает ощущать отсутствие этого фона: по ночам ему снится, к примеру, "шум дождя".

Акустический фон содержит колоссальное количество информации, воспринимаемой органами слуха и осязания. А мозг, эта уникальная вычислительная машина, отфильтровывает из этого океана информации только те капли, которые необходимы человеку в данный момент.

Не менее поразительна и та чрезвычайно малая интенсивность звука, которая доступна восприятию человека: 0,000000000001 ватта на квадратный метр (для сравнения: интенсивность шума от пылесоса примерно в 10 миллионов раз больше).

Природа очень широко использует звук для передачи информации между живыми существами. Разве не заманчиво создавать различные технические устройства по ее патентам?

Казалось бы, задачи, которые встают в данном случае перед инженерами, проще тех, которые решила природа. В природе любой звук имеет тембровую окраску, то есть на звук любой частоты (основного тона) накладываются в различных сочетаниях звуки других частот, кратные основной частоте, - обертоны или гармоники. (Это благодаря им опытный меломан всегда отличит ноту, спетую Лемешевым, от той же ноты, спетой Козловским.) В технике же достаточно оперировать с чистым тоном, не обращая внимания на некоторую примесь гармоник. Вспомните хотя бы ставший уже хорошо знакомым по научно-фантастическим кинофильмам голос робота, бесстрастный, ровный, безликий. Получить, передать и воспринять такой звук неизмеримо проще, чем качественно транслировать из концертного зала, скажем, симфонию Чайковского.

И все же масштабы применения акустического сигнала в технике контроля и управления пока скромны по сравнению с использованием других сигналов, передающих информацию, например, сигналов, связанных с изменением силы электрического тока, его напряжения, частоты или сигналов, связанных с изменением давления сжатого воздуха.

Большое развитие получила гидроакустика для целей локации и связи под водой. Здесь применяется акустический сигнал потому, что вода практически не пропускает радиоволн. Да и то устройства, воспроизводящие и воспринимающие звуковые волны в воде, имеют на входе либо на выходе преобразователи акустического сигнала в электрический.

А ведь природа обходится в звуковоспроизводящих и звуковоспринимающих устройствах без электрического тока. Вспомним голосовые аппараты и органы слуха у животных. И человек, создавая на протяжении многих веков музыкальные инструменты, тоже обходился без электричества. Эти естественные и искусственные акустические устройства по многим показателям значительно превосходят аналогичные им электроакустические устройства.

Общее, что объединяет все эти неэлектрические устройства, - наличие воздушного потока или механических вибраторов в воздушной среде или того и другого вместе. Поэтому новое научно-техническое направление, изучающее вопросы применения звука в воздушной среде для создания эффективных неэлектрических технических устройств, получило название "пневмоакустика".

В этой статье речь пойдет о пневмоакустических устройствах автоматики. Широкие возможности для их создания открылись с рождением и развитием в шестидесятых годах нового перспективного направления в приборостроении - пневмоники, известной также под названием струйной техники.

Приборы пневмоники используют эффект взаимодействия миниатюрных струй друг с другом и со стенками камер. В этих приборах движутся только потоки газа, поэтому приборы не знают износа, не боятся вибрации и толчков, влияния радиации и электромагнитных полей, пожаро- и взрывобезопасны. Первые патенты на них получены учеными Института проблем управления Академии наук СССР.

Вначале пневмоакустическая автоматика возникла именно как ответвление пневмоники, но в последние годы она все больше принимает черты самостоятельного направления в приборостроении.

В XIX веке, когда многие города Европы освещались неровным пламенем газовых рожков, пошли разговоры о язычках пламени, пляшущих в такт музыке (сейчас уже не установить, кто заметил это первым). Поговаривали тогда даже о нечистой силе, пока за эти "музыкальные пламена", как их окрестили в литературе, не взялись физики. Француз Леконт в 1858 году и англичанин Тиндаль в 1867 году установили, что пляска пламени вызывается воздействием звука на газовую струю, вытекающую из рожка.

Теория этого сложного явления еще и сейчас не достигла такого уровня, при котором можно было бы быстро и точно рассчитать все параметры звука и струи, дающие во взаимодействии требуемый эффект. Но принципиальная сторона происходящего уже ясна.

Газовая струя становится чувствительной к звуку лишь тогда, когда ее поток в рожке ламинарный. Это значит, что отдельные микроструйки, составляющие газовый поток, текут параллельно, не смешиваясь друг с другом. Но при истечении из рожка газовая струя уже не изолирована от окружающего ее пространства, в котором возникают слабые поперечные течения, направленные к центру струи и способствующие возникновению внутри нее крошечных вихрей. Они движутся вместе со струей, разрастаются, отбирая у нее энергию. И когда скорость вихрей на их периферии станет чрезмерно большой, они разрушаются на меньшие, эти меньшие - на еще меньшие, и в конце концов весь поток оказывается состоящим из хаотически перемещающихся внутри потока завихрений. Поток становится турбулентным - беспорядочным, хаотичным.

Горение, то есть реакция окисления газа кислородом окружающего воздуха, происходит лишь на границе между газом и воздухом, в слое, называемом фронтом пламени, толщиной лишь в десятые доли миллиметра. Фронт пламени охватывает струю со всех сторон, и поэтому она кажется глазу сплошным факелом.

Интенсивное горение идет только в турбулентной части струи, где газ хорошо перемешивается с воздухом, - там основная зона пламени. Поэтому высота язычка пламени определяется длиной ламинарного участка струи: чем меньше эта длина, тем короче язычок, и наоборот.

Что же происходит, когда на ламинарную струю падают звуковые волны? Все зависит от высоты звука, то есть от длины звуковой волны. Если каждая очередная волна звука будет набегать на струю с такой же частотой, с какой вращаются вихри в струе, то наступит явление резонанса: вихри будут расти быстрее, так как энергия звуковой волны будет добавляться к энергии вихрей. Ламинарный участок станет короче. И чем громче звук, тем короче будет этот участок.

Но музыка состоит из чередования нот разной высоты, а параметры газовой струи - одни и те же. Как же может возникнуть резонанс, ведь для этого необходимо совпадение частот? Исследования показали, что если разница в частотах звука и вращения вихрей не очень велика, это не препятствует взаимодействию звука и струи. Но при этом частота вращения вихрей приближается к частоте звука, на что дополнительно затрачивается энергия звуковых волн, и в результате эффект взаимодействия ослабевает.

Собственная частота вращения вихрей зависит от поперечных размеров и скорости газовой струи. Вот почему далеко не всякому музыканту удавалось наблюдать пляску пламени газового рожка. Это могло произойти лишь при случайном сочетании диаметра газового рожка и скорости газовой струи с диапазоном частот, присущим данному музыкальному инструменту и исполняемому на нем произведению.

Вместе с газовыми рожками ушли в историю и "музыкальные пламена", а вот действие звука на струю газового топлива используют в технике. Ныне этот эффект носит название вибрационного горения и используется в газовых топках для управления как интенсивностью процесса горения, так и длиной факела.

Итак, газовая, в том числе и воздушная струя "слышит" звук. Это свойство струи было с успехом использовано в пневмонике.

Основа почти любого устройства пневмоники - струйный элемент типа "сопло - сопло". Конструкция его очень проста: в первое сопло, называемое питающим, подается под небольшим давлением (несколько килопаскалей - несколько сотых долей атмосферы) сжатый воздух, а вытекающая струя улавливается другим, приемным соплом. Возникающее в приемном сопле давление можно использовать как сигнал в любой схеме контроля управления. Творческие усилия создателей приборов пневмоники направлены на изыскание способов воздействия входного сигнала на струю с тем, чтобы отклонять ее от приемного сопла или рассеивать в пространстве.

Разрушая звуком ламинарную струю, американский инженер Р. Оджер создал акустико-пневматический турбулентный преобразователь - пневмофон.

Что же может пневмофон Оджера? Например, зафиксировать появление звукового сигнала, если прибор настроен на частоту этого сигнала. Настройка заключается в подборе диаметра и длины питающего сопла, расстояния между соплами и питающего давления. Сама настройка, между прочим, куда проще, чем ее расчет, но методика расчета уже известна и отрабатывается.

Пневмофон используют для автоматизации производственных процессов. Уже завоевывают популярность счетчики или индикаторы предметов, пересекающих звуковой луч. Такие приборы надежно работают во взрывоопасной, запыленной, задымленной среде, где не годятся индикаторы с фотоэлементами. Например, в Воткинском филиале Ижевского механического института исследуют применение пневмофона для индикации положения руки механического робота.

Чтобы при эксплуатации пневмофона избежать ложного срабатывания, если случайно на него попадет звук от другого источника, пневмофон настраивают на звук частотой в несколько десятков килогерц. Такой звук легко сконцентрировать в остронаправленный звуковой луч; этот диапазон частот очень удобен и с точки зрения подбора всех геометрических и аэродинамических параметров пневмофона. Но так как с ростом частоты растет и затухание звука в воздухе, то приходится довольствоваться сравнительно малыми расстояниями между источником звука и пневмофоном - несколькими метрами.

Интересные возможности дает использование зависимости падения выходного давления от громкости звука. Ведь на громкость звука, дошедшего до пневмофона влияют такие физические свойства среды (между источником звука и пневмофоном), как ее плотность, влажность, температура, химический состав. Разработка соответствующих измерительных приборов - дело ближайшего будущего.

Ламинарная струя реагирует не только на звук той частоты, на которую она настроена. Пусть слабее, но она реагирует на звук в диапазоне, крайние частоты которого в 1,5-2 раза выше или ниже настроечной. Поэтому пневмофон, если бы он работал в области слышимого звука средних частот, был бы чувствителен к помехам окружающего нас акустического фона. Для использования пневмофона в диапазоне звуковых частот порядка нескольких килогерц прибор надо сделать помехозащищенным либо обеспечить ему избирательность по частоте. Задачу эту решил В. Н. Дмитриев (Институт проблем управления АН СССР), применивший очень простое конструктивное средство.

Еще в глубокой древности в стенах куполов церквей архитекторы предусматривали голосники - бутылеобразные углубления, увеличивавшие гулкость свода. Именно этот эффект используют ребята, устраивая из пустой бутылочки свисток. Знаменитый физик Гельмгольц сделал набор из пустотелых сосудов бутылеобразной формы, каждый из которых концентрирует из окружающего акустического фона звук одной собственной частоты, тем самым увеличивая громкость звука на этой частоте.

С того времени сосуды, состоящие из полости и горлышка, стали называть в акустике резонаторами Гельмгольца. Эти резонаторы концентрируют звуковую энергию не только на своей собственной частоте, а в каком-то диапазоне частот, но этот диапазон очень узок.

Если пневмофон встроить в резонатор Гельмгольца, то избирательность пневмофона по частоте будет уже определяться и обеспечиваться резонатором. Так и поступил В. Н. Дмитриев. А для того, чтобы оградить резонатор с пневмофоном от звука, приходящего с различных направлений, он поместил все это в фокус параболического рефлектора.

К сожалению, совмещение пневмофона с резонатором приводит к существенному техническому противоречию. Дело в том, что собственная частота резонатора растет с уменьшением его размеров. Но чтобы пневмофон встроить в резонатор, последний должен быть не слишком маленький. И получается, что при технически целесообразных размерах сопел пневмофона собственная частота струи оказывается на порядок выше собственной частоты резонатора. Совместить оптимальные размеры пневмофона и резонатора пока не удается. Сейчас наилучшее сочетание получается при частотах 2-3 килогерца. И тем не менее расстояние, на которое можно передать и воспринять направленный звуковой сигнал, возрастает при применении резонаторов Гельмгольца до нескольких десятков метров.

В технике немало случаев, когда приходится измерять очень маленькие давления - во много раз меньшие, например, давления воздуха, создаваемого дыханием человека.

При контроле герметичности химических аппаратов их накачивают газом и помещают в замкнутую камеру. Если герметичность аппарата нарушена, то газ проникает через микрощели в камеру и давление в камере повышается. Речь идет об изменении давления в десятые доли паскаля, то есть в миллионные доли атмосферы, и это надо точно зафиксировать, ибо от этого может зависеть надежность работы установок, жизнь людей.

Наиболее чувствительные жидкостные микроманометры с наклонной трубкой дают возможность уверенно зафиксировать изменение давления в 2 паскаля (0,00002 атмосферы). Но этого недостаточно.

С. Г. Сажин (Лаборатория автоматизации контроля герметичности Дзержинского филиала Горьковского политехнического института имени А. А. Жданова) решил надеть на наклонную трубку микроманометра горловину, превратив заполненное воздухом пространство трубки в резонатор, а в стенки резонатора встроил струйный элемент.

Идея этого технического устройств состоит в том, что изменение входного давления перемещает столб жидкости в трубке, а это изменяет объем воздуха в резонаторе и, следовательно, его собственную частоту (вспомните свисток из бутылочки, заполняемой водой). А частоту и громкость звука от излучателя поддерживают постоянными.

При совпадении частоты звука излучателя и собственной частоты резонатора (сплошные линии на рисунке) выходное давление невелико, рабочая точка прибора находится в нижней части резонансного пика. При изменении входного давления и "уходе" резонансного пика в сторону (штриховые линии на рисунке) рабочая точка оказывается в верхней части резонансного пика, то есть выходное давление повышается.

Расстояние между соплами струйного элемента здесь мало, а это требует мощного звука для выявления эффекта взаимодействия. Поэтому излучатель звука придвинут к резонатору на расстояние в несколько миллиметров.

Благодаря совмещению микроманометра с пневмофоном порог чувствительности микроманометра уменьшился примерно в 30 раз и составляет около 0,06 паскаля (шесть десятимиллионных долей атмосферы). Более того, выходное давление пневмофона можно направить на другое такое же измерительное устройство, но уже в качестве входного давления, что снизит порог чувствительности еще во столько же раз. При этом процесс измерения становится уже настолько чувствительным, что внутренние погрешности измерительной установки могут стать больше измеряемого сигнала.

Эту плодотворную идею С. Г. Сажин применил также для определения микроперемещений уровня жидкости, например, при измерении капельных расходов жидкости.

Если у пустой бутылочки убрать дно, то ее собственная частота изменится скачкообразно. Но ведь можно дно отодвигать от стенок медленно, постепенно увеличивая зазор между дном и стенками. Какие же изменения зазора удалось бы уловить с помощью пневмофона, надетого на горло бутылочки? Автор статьи (лаборатория пневмоакустических измерений Кировского государственного педагогического института имени В. И. Ленина) установил, что чувствительность подобного измерителя зазора составляет десятитысячные доли миллиметра.

Для изменения собственной частоты резонатора необязательно менять только его геометрические размеры, можно изменить физические или химические свойства газа, находящегося внутри резонатора. Идя таким путем, создали пневмоакустический газоанализатор. Известны также различные измерители температуры, использующие связь собственной частоты резонатора с температурой газа, находящегося внутри него. Если между источником звука и резонатором поместить тонкую пленку, то можно с высокой точностью измерить изменение ее толщины.

Так пневмоакустика заявила о себе как перспективное направление в измерительной технике.

Регулировать процессы, связанные с расплавленным металлом, не просто. В особо тяжелых условиях работают приборы, расположенные в непосредственной близости к металлу. Например, приходится термопары помещать в корпус из жаропрочных сплавов, но это увеличивает инерционность процесса измерения температуры.

Высокой температуры не боится только керамика. Поэтому ее и применяют для изготовления посуды, электронагревательных устройств, различных огнеупорных изделий.

Делают из керамики и игрушки, в том числе свистульки. Выражаясь научно, свистулька - это аэродинамический источник звука. На воздух, питающий свистульку, высокие температуры тоже вредного влияния не окажут. И если сделать так, чтобы свистулька не только излучала звук, но и воспринимала его, когда он отразится от поверхности расплавленного металла, то можно измерять его уровень.

На рисунке показано, как решила эту задачу при стабилизации уровня расплавленного металла группа инженеров из КБ ЦМА (сейчас ВНИКИ Цветметавтоматика) - Я. М. Марьяновский, В. С. Шкрабов и другие. Представьте себе две детали размером и формой с дольку шоколадной плитки. На одной из них выштамповано миллиметровое углубление с конфигурацией, соответствующей незаштрихованной части на рисунке. Затем обе детали склеиваются или спекаются так, чтобы углубление осталось внутри, - и свисток готов.

В принципе такой свисток мало чем отличается от свирели или свистка спортивного судьи. Во всех этих генераторах звука ламинарная струя, вытекающая из питающего сопла, набегает на острый клин. Колебания струи относительно клина служат источником звуковых волн. Правда, в свистке КБ ЦМА сделано два клина, но лишь затем, чтобы получить приемное сопло между клиньями (это конечно не меняет физики явления).

Звуковые волны, возвращаясь к питающему соплу (штриховая линия), раскачивают струю в такт ее колебаниям, и она входит в режим автоколебаний. Если звуковые волны, распространяющиеся от приемного сопла, встретят на своем пути какую-либо поверхность, например, расплавленного металла, то они отразятся от нее и тоже придут к питающему соплу, но только более длинным путем (штрих-пунктирная линия). И если волны, отраженные от поверхности, работают в такт, то есть будут колебаться в той же фазе, что и струя, то амплитуда колебаний струи возрастет. Соответственно, меньше воздуха попадет в приемное сопло, и выходное давление упадет. Стоит поверхности подняться или опуститься, как совпадение по фазе исчезнет, амплитуда колебаний струи уменьшится, выходное давление возрастет. А связать выходное давление со стабилизатором уровня расплавленного металла - это уже просто.

Частота звука, излучаемого подобным свистком, зависит от расстояния между соплами и от скорости струи, а последняя зависит от расхода газа через питающее сопло, от давления питания и от свойств газа. Использовав это, Я. М. Марьяновский предложил целую гамму частотных датчиков различных производственных параметров.

Не надо быть баянистом, чтобы знать: чем энергичнее растягиваешь мехи, тем громче будет звук. Значит, баянный голосник реагирует на расход воздуха через него. Главная деталь голосника - язычок, - зажатая с одной стороны тонкая металлическая пластинка, которая под действием проходящего воздушного потока вибрирует на своей собственной частоте.

Конструкция баянного голосника не очень приспособлена для измерительной техники, но сам язычок, или, как говорят акустики, стержневой резонатор, находит интересные применения. Вот как, например, группа американских инженеров решила задачу стабилизации оборотов турбинного вала (на рисунке вариант "а"). Вал соединен с источником звука так, чтобы частота этого звука соответствовала угловой скорости вала (эта часть установки на рисунке не показана). Звук направляется на два одинаковых язычка, но настроенных на различные собственные частоты: немного больше и немного меньше той, которая соответствует номинальной скорости вала. Если скорость вала выйдет за допустимые пределы, один из язычков начнет колебаться, откроет путь струе и даст тем самым сигнал на систему автоматического регулирования.

Подобные задачи, как показал автор статьи, конструктивно можно решить еще проще, а именно: придать питающей трубке свойства стержневого резонатора (на рисунке вариант "б"). Были исследованы также методы изменения собственной частоты стержневых резонаторов путем перемещения по ним дополнительного грузика или изменением места зажима.

Таких линий связи в пневмоавтоматике пока нет. Но они не из области фантастики. О том, что можно передавать информацию через твердую стенку с помощью перестукивания, известно очень давно.

Чем однороднее материал, чем больше его твердость, тем дальше и быстрее распространяется по нему звук. Человек проложил немало длинных металлических трубопроводов, рельсов, балок, которые могли бы служить и прекрасными звуковыми волноводами.

Мысль об использовании металлических звуковых волноводов для передачи информации в линиях связи пневмоавтоматики была высказана автором в середине шестидесятых годов. А в середине семидесятых годов в Институте проблем управления АН СССР (В. А. Беломестный) показали, что есть и практические варианты решения этой интересной задачи, один из которых показан на рисунке.

Скорость звука, конечно, несравнима со скоростью электрического импульса, но это не означает, что акустические линии связи заведомо проигрывают электрическим. Существенные запаздывания при срабатывании электрических реле на входе и выходе электрических линий связи несколько обесценивают выигрыш в скорости при передаче электрического сигнала. Кроме того, скорость звука в металле, равная примерно 5000 метров в секунду, вполне устраивает современные промышленные системы автоматики с точки зрения допускаемых запаздываний сигнала. При обсуждении перспективности акустических линий связи с пневмоакустическими входными и выходными преобразователями, наверное, не последнюю роль должно играть то обстоятельство, что пневматические средства автоматики, как правило, дешевле аналогичных электрических и часто превосходят их в надежности.

В заключение отметим, что многие пневмоакустические устройства или их элементы как бы заимствованы техникой у музыки. И уж, во всяком случае, при теоретических исследованиях этих устройств и элементов приходится изучать то, что уже накоплено музыкальной акустикой. Конечно, это не значит, что те, кто изобретал пневмоакустические устройства, обязательно были меломанами. Хочется подчеркнуть другую мысль: более глубокое и детальное изучение музыкальных инструментов физиками и инженерами может дать еще немало ценного для техники.