Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

Это открытие имело большое значение для развития науки. Узнав свойства и особенности неслышимых звуков, человек с успехом использовал их как средство дальнейшего проникновения в тайны природы. Они стали помощниками человека.

Свойства ультразвука без знакомства с обычными, слышимыми звуками понять нельзя. Поэтому мы очень кратко расскажем читателю, что же известно о природе и свойствах обычных, воспринимаемых ухом звуков.

Прислушаемся к тем звукам, которые проникают в наше сознание, как только мы проснемся. Вот, например, раздался гудок заводской сирены.

Что произошло в тот момент, когда возник звук гудка?

Машинист открыл клапан, и сжатый воздух стремительно вырвался наружу, расширился, занял значительно больший объем. Подстегнутые толчком, сместились мельчайшие частицы воздуха — молекулы. Но уйти далеко молекулы не могут. Резко подавшись вперед, они смешиваются с молекулами слоев воздуха, расположенных перед ними, и поджимают их. Поэтому в соседних слоях воздуха на ничтожное мгновение окажется гораздо больше молекул, чем было раньше. Это означает, что давление в них на мгновение возрастет, воздух станет плотнее.

Сирена создает прерывистую струю сжатого воздуха, и подобные толчки молекул возникают много раз в секунду.

В те моменты, когда струя воздуха прерывается, смещение молекул приводит к тому, что в слое, расположенном рядом со сжатым, на мгновение окажется недостаток молекул. Поэтому рядом со слоем сгущенным, слоем повышенного давления, возникнет слой разряженный, с пониженным давлением. Пока гудит сирена, слои сгущений и разряжений бегут во все стороны.

Попадая в человеческое ухо, чередующиеся сжатия и разрежения вызывают ощущение звука.

Таким образом, то, что мы называем звуком, представляет собою быструю последовательную смену чередующихся сжатий и разрежений воздуха.

При этом частицы воздуха не перемещаются вместе с распространяющимся звуком. Подталкиваемые сжатым воздухом, они только колеблются, попеременно смещаясь вперед и назад на очень небольшие расстояния.

Сходное движение можно наблюдать, когда по поверхности воды бежит волна и поверхность делается неровной: одни участки приподнимаются, образуя гребни, другие опускаются, создавая впадины (рис. 1).

Такое движение называют волновым.

Наблюдая за поплавком, брошенным на поверхность воды, мы обнаружим, что он только колеблется, то поднимаясь, то опускаясь, а не движется вдоль поверхности вместе с бегущей волной.

Это говорит о том, что молекулы воды не перемещаются вместе с волной, они только колеблются около своих средних положений, и это колебательное движение передается молекулами вещества все дальше и дальше, наподобие того, как передают палочку эстафеты бегуны на стадионе.

На поверхности воды за гребнем волны следует впадина, а в воздухе, в котором распространяется звук, сгущение молекул сменяется разрежением; и там и тут отдельные частицы вещества совершают колебательные движения.

Благодаря сходству в движении частиц воздуха и воды чередующиеся сжатия и разрежения в воздухе называют звуковыми волнами.

Когда до какой-либо точки пространства доходит звуковая волна, частицы вещества, до того не совершавшие упорядоченных движений, начинают колебаться. Всякое движущееся тело, в том числе и колеблющееся, способно совершать работу, оно, как говорят, обладает энергией. Очевидно, что распространение звуковой волны сопровождается распространением энергии. Источником этой энергии является звучащее тело. Именно оно излучает в окружающее вещество энергию.

Звуковые волны возникают и распространяются в воздухе при колебаниях любого тела: струны, мембраны патефона, диффузора репродуктора и т. д.

Проводником звуковых волн может быть не только воздух.

Перед Куликовской битвой князь Димитрий Донской выехал на разведку и, приложив ухо к земле, услышал конский топот: приближалась вражеская конница. В этом случае звуковые волны распространялись в земле.

В различных веществах скорость распространения звуковых волн неодинакова.

В воздухе скорость звука сравнительно невелика и составляет при обычных условиях всего 332 метра в секунду. Если бы мы могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел от Москвы до Ленинграда, то нас услышали бы там через полчаса.

В воде звук распространяется быстрее: за одну секунду он проходит приблизительно 1,5 километра. От Москвы до Ленинграда «водным путем» звук шел бы около 7 минут.

С еще большей скоростью распространяется звук в твердых телах. Например, в стальном стержне звук пробегает за 1 секунду около 5 километров, и расстояние между Москвой и Ленинградом по стальному рельсу он прошел бы приблизительно за 2 минуты.

В обыденной жизни мы различаем звуки в зависимости от их силы и тона.

Тон звука зависит от частоты, с которой колеблется звучащее тело. Чем больше частота, тем большее количество сжатий и разрежений возникает в звуковой волне за одну секунду и тем выше тон звука.

Частота колебаний измеряется единицей, называемой герцем. Один герц — это такая частота, когда в одну секунду совершается одно колебание. Тысяча герц называется килогерцем.

Скорость распространения для звуков различного тона одна и та же. Поэтому у звуков большей частоты соседние области сжатий или разрежений будут расположены ближе друг к другу, чем у звуков меньшей частоты.

Расстояние между двумя соседними областями сжатия воздуха или между двумя соседними областями разрежения называют длиной звуковой волны. Чем больше частота звука, тем короче длина волны (рис. 2).

Человеческое ухо очень чувствительно к тону звука. Одаренный музыкальным слухом человек может различить два звука, один с частотой 1 000, а другой — 1 003 колебания в секунду!

Однако два звука одного и того же тона все же могут восприниматься нами по-разному: про один из них мы скажем, что он сильнее, громче другого. Сила звука зависит при одной и той же частоте от размаха колебаний звучащего тела.

Звучащее тело, совершающее колебания с бóльшим размахом, будет вызывать бóльшие изменения давления воздуха, и звук будет сильнее. Чем больше изменения давления, тем больше сила звука (рис. 3).

В последние годы учеными созданы источники звука огромной силы, или, как чаще говорят, мощности.