Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

ПЕРВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Первое практическое применение ультразвука относится к тем временам, когда наши знания вообще о звуках были очень скудными. Даже природа звука не была еще хорошо известна человеку, а об ультразвуке не имели и понятия.

Наблюдая окружающую жизнь, человек заметил, что собаки реагируют на какие-то звуки, которых он сам не слышит. С этим наблюдением и было связано первое применение ультразвуков.

С давних пор браконьеры — люди, занимающиеся недозволенной охотой, — жестоко преследовались законом. Они обычно пользовались особым коротким свистком, который так и назывался «свистком браконьера». Свисток издавал звук столь большой частоты, что человек его не слышал, но слышала собака.

Спрятавшись в кустах, браконьер мог спокойно подозвать к себе собаку, не опасаясь стоящего поблизости сторожа. Это объясняется тем, что область слышимых звуков для собак иная, чем для человека.

Впрочем, браконьеры так же мало задумывались над природой ультразвука, как не задумывался над превращением энергии первобытный человек, добывавший огонь ударом камня о камень.

Изучать же ультразвук стали сравнительно недавно.

В конце прошлого и начале нашего века в развитии науки произошел гигантский скачок. В эти годы была установлена сложность строения атома, обнаружена способность некоторых элементов самопроизвольно превращаться в другие, открыты различные «невидимые» лучи, замечательный русский ученый А. С. Попов подарил миру величайшее изобретение — радио. Все эти достижения подготовили почву для проникновения еще в одну, до того неведомую область природы — в мир ультразвуков.

Ультразвуковые волны были получены в физических лабораториях в самом конце прошлого века с помощью очень маленьких камертонов, имевших в длину всего несколько миллиметров. Частота ультразвука доходила до 90 тысяч колебаний в секунду. Использовали для получения ультразвука также и особые свистки, названные по имени изобретателя «свистками Гальтона» (рис. 5). Но практического применения неслышимые звуки не находили. Именно это обстоятельство и было одной из причин медленного вначале развития новой области знания.

Когда же в практической деятельности человека возникла потребность использования ультразвука, положение резко изменилось.

В первую мировую войну 1914–1918 гг. морской флот нес большие потери от подводных лодок. Просторы океана превратились буквально в ловушку для кораблей. Долгое время ученые тщетно пытались найти способы борьбы с подводными лодками.

Среди ученых, отдавших свои силы и знания этому делу, был знаменитый физик, впоследствии коммунист, Поль Ланжевен и другие исследователи.

В 1914–1918 гг. он вместе с русским инженером К. Шиловским предложил использовать для борьбы с подводными лодками неслышимые звуки.

Мысль была очень проста: специальный излучатель посылал в выбранном направлении под водой короткий ультразвуковой сигнал. Если путь был свободен, сигналбежал вперед и терялся в океане. Если же на пути попадался какой-либо предмет, отличавшийся по своей плотности от воды, звук отражался от него и в виде эха бежал обратно к излучателю. Приход эхо-сигнала указывал на наличие в море постороннего предмета.

При этом можно было определить и расстояние, на котором находилось обнаруженное препятствие.

Предположим, что отраженный сигнал пришел через 3 секунды после того, как он был послан. За секунду, как известно, звук проходит в воде приблизительно 1,5 километра, так что за 3 секунды он пройдет около 4,5 километра. Надо только учесть, что звук сначаладвигается вперед, а затем возвращается, поэтому найденную величину делят пополам. Следовательно, в приведенном примере обнаруженный предмет находился на расстоянии немногим больше 2 километров.

У читателя, естественно, возникнет вопрос: почему для устройства такого прибора необходим ультразвук? Нельзя ли было воспользоваться самым обычным, слышимым звуком?

Незадолго до этого, в 1912 году, около берегов Северной Америки столкнулся с ледяной горой и в несколько минут пошел ко дну вместе с тысячами пассажиров огромный английский пароход «Титаник». Весть о трагической гибели «Титаника» быстро облетела весь мир. Люди задумались над тем, как избежать в будущем подобных катастроф.

Не может ли звуковое эхо предупреждать команду корабля о грозящей опасности?

Однако создать такой прибор не удалось. Помешало этому одно из основных свойств звука.

Представьте себе, что летней ночью вы стоите в саду возле открытого окна. Мелодичные звуки рояля льются из комнаты и медленно теряются в ночной тиши.

Обратите внимание на то, как резко очерчен светлый квадрат окна на песке дорожки. Если вы хотите прочитать что-либо при свете, падающем из окна, вам необходимо стать на пути световых лучей, и достаточно немного отступить в сторону, чтобы оказаться в полной темноте. Прямыми, как стрелы, лучами распространяются световые волны.

Иначе ведет себя звук.

Отойдите в сторону от окна, и это не помешает вам слушать музыку. Можно даже стать сбоку от окна, совсем близко к стене дома, и все же звуковые волны достигнут вас. Не думайте, что звуки, которые вы слышите, проходят сквозь стену. Закрыв окно, вы убедитесь, что звуки шли именно из окна.

Почему же световая волна распространяется резко ограниченным лучом, а звуковая расходится по всем направлениям, наподобие тех волн, какие возникают на поверхности воды от брошенного камня?

Это различие вызвано разницей в длине волн.

Будет ли волна распространяться направленно, как свет, или сразу во всех направлениях, как звук, зависит от соотношения между размерами источника волнового движения, колеблющегося тела или отверстия в преграде, через которое проходит волна, идущая от какого-либо источника, расположенного за преградой, и длиною волны.

Если размер отверстия меньше длины волны или близок к ней, волна будет распространяться сразу во всех направлениях, подобно тому, как это изображено на рис. I, а .

Именно так обстоит дело в примере со звуками, идущими из открытого окна. Невысокие звуки рояля имеют длину волны около метра; такая длина волны близка к размерам окна, через которое звуки проникают в сад, поэтому-то звук и распространяется сразу во всех направлениях.