Еще более удивительная загадка

Мать, спящая возле больного ребенка, сразу же просыпается в тревоге, если его дыхание изменится. Она чутко слышит и из всех других шумов выделяет изменения в чуть слышных звуках детского дыхания. И то же самое ухо переносит без особого для себя вреда чудовищные раскаты грома, когда человек попадает в центр сильной грозы.

Поток энергии самого слабою звука, который воспринимают люди, обладающие особой остротой слуха, поразительно ничтожен: можно

услышать звук с энергией, равной 10-12 вт/м². А перестает слышать наше ухо только те звуки, поток энергии которых превышает 10 вт/м². Звук такой интенсивности непереносим — он вызывает ощущение нестерпимой боли.

Способность воспринимать звуки, интенсивность которых различается в 1013 раз, — это уже совершенно замечательное и удивительное свойство нашего уха! Измерительная техника не знает такого прибора, которым можно было бы определять величины, различающиеся в десять триллионов раз (10 000 000 000 000). На весах с таким диапазоном чувствительности можно было бы взвесить и камень в один килограмм и небольшую планету.

Слух и логарифмы

Только привычка пользоваться своим слухом да недостаточная осведомленность мешают нам удивляться подлинному чуду — устройству нашего уха.

Наше ухо — очень точный прибор. Мы легко определяем, сравнивая два звука, какой из них громче и какой обладает большей энергией, даже если их интенсивности близки. А слышать мы можем и шелест листьев, и тиканье часов, и раскаты грома, и грохот водопада. Каждый из этих звуков воспринимается органом слуха, который оценивает его громкость.

Зависимость между энергией воспринимаемого звука и тем ощущением громкости, которое он производит, установлена опытным путем. При этом выяснилось, что изменение громкости звука при изменении потока энергии звуковой волны проще всего оценивать с помощью логарифмов.

Принято считать, что громкость звука изменится на единицу, если его энергия увеличится или уменьшится в 10 раз. Единица громкости — бел (б). Однако для практических оценок громкости звука оказалось удобнее пользоваться десятой частью этой единицы — децибелом (дБ).

Если энергия первоначального звука Е0 возрастет в 10 раз, т. е. окажется равной 10 E0 , то громкость воспринимаемого звука увеличится на 10 дБ ; энергия вырастет в 100 раз, громкость повысится на 20 дБ; в 1000 раз — на 30 дБ. Всему необъятному диапазону в изменениях энергии звука, который доступен нашему уху, т. е. изменение примерно в 10 триллионов раз, соответствует изменение в ощущении громкости всего на 13 б, или на 130 дБ. Физики условились принять за начальный уровень отсчета энергию такого слабого звука, который может услышать далеко не каждый человек даже с очень чутким слухом. Энергия такого звука равна E0 =10-12 вт/м². С помощью этой величины определяется громкость любого звука. Если его энергия равна Е, то его громкость, выраженная в децибелах, будет 10 lg E / E0 дб. Даем табличку, в которой показана громкость знакомых всем звуков на расстоянии нескольких метров и соответствующая им энергия потока:

шелест листьев — 10 дБ — 10-11 вт/м²,

тиканье часов —20 дБ —10-10 вт/м²,

мирная беседа — 40 дБ — 10-8 вт/м²,

громкий разговор — 70 дБ — 10-5 вт/м²,

шумная улица — 90 дБ — 10-3 вт/м²,

самолет на старте — 100 дБ — 10-2 вт/м².

Эта таблица полезна. Пусть она напоминает, что громкий разговор действует на наши уши с энергией в 1000 раз большей, чем мирная беседа. Берегите свои уши и нервы.

Громкость и его тон

Один и тот же звук может восприниматься одним человеком как нормальный, а другим — как громкий. Громкость звука зависит не только от чувствительности уха, но и от психического восприятия. И тем не менее каждый человек воспринимает звук, обладающий большей энергией, как более громкий.

Самый слабый звук с самой малой энергией, воспринимаемый ухом, называют порогом слышимости. Низкие и высокие тона воспринимаются на пороге слышимости по-разному. Чтобы у них была одинаковая громкость, энергия и давление звука должны быть у низких тонов больше, чем у высоких. Тембр звука определяется не только количеством высоких и низких обертонов, но и соотношением их энергий и звуковых давлений.

Очень сильные звуки создают в органах слуха ощущение боли. Звук любого тона имеет болевой порог восприятия. На цветном рисунке у страницы 112 показаны границы слышимости. Область слышимости ограничена двумя кривыми: порога слышимости и порога болевого восприятия. Естественная же область звуковых давлений, воспринимаемых ухом при звучании голоса, показана на этом рисунке штриховкой.

Дополнительная информация о звуке

Откуда пришел звук

Вас кто-то окликнул. Услышав голос, вы повернете лицо именно в ту сторону, откуда он донесся. Происходит это потому, что слуховые раздражения приходят в мозг одновременно от обоих ушей только в том случае, если источник звука находится от них на равном расстоянии. Голову мы поворачиваем всегда в ту сторону, откуда звуковое раздражение пришло в мозг хотя бы на сотую долю секунды раньше, чем раздражение, воспринятое другим ухом.

Таким образом, восприятие звука обоими ушами дает возможность определить, в какой стороне от нашего лица находится источник звука. Это свойство нашего слуха называется бинауральным эффектом. Его часто используют в технике, например для стереофонического звучания в кино. При демонстрации стереофонически озвученных фильмов звуки производятся двумя или несколькими динамиками в различных точках кинозала. По такому же принципу устроены и проигрыватели для стереофонических граммофонных пластинок.

Эффект Доплера

Вы, наверное, замечали, как изменяется звук сирены электропоезда, когда тот проносится мимо платформы, на которой вы стоите. Когда поезд приближается, тон сирены высокий и тревожный; когда же поезд пронесется мимо, ее звук резко меняется: становится более низким, как бы успокаивающим. Сирена создает в воздухе одинаковое количество колебаний и при приближении поезда, и при его удалении, скажем 100 гц. Но, приближаясь к вашему уху, она как бы догоняет свой звук, а удаляясь, как бы «увозит» его с собой.

Скорость звука — 340 м/сек, скорость поезда примем для простоты расчета в 34 м/сек. Предположим, что сирена, приближаясь к вам, гудит 1 сек, за это время она возбудит 100 колебаний; если бы поезд не двигался, вы услышали бы звук с частотой в 100 гц. Но поезд приближается. Допустим, что сирена начала гудеть за 340 м до платформы. Первое из ее колебаний ваш слух уловит ровно через секунду. Но она гудит-то всего 1 сев, и за эту секунду поезд промчится 34 м. Последнее колебание произойдет в 306 м от вас, и вы его «306» услышите через =306/340 сек, т. е. через 0,9 сек. Со времени, когда вы услышали первое колебание, прошло всего 0,9 сек, так как сирена перестала гудеть, когда вы услышали ее первое колебание. Таким образом, все 100 колебаний вы восприняли за 0,9 сек, а частота услышанного вами звука стала 100/0.9 гц, т. е. 111 гц. Повторив те же рассуждения для удаляющегося поезда, мы найдем, что частота звука должна уменьшиться до 91 гц. Разница в частотах звука при приближении и при удалении поезда равна 2/9 от основной частоты — это почти два тона У музыкального ряда. Если бы скрипач взял на промчавшемся поезде ноту ре, то, пока поезд приближается, мы слышали бы ми, а когда поезд уже удаляется — до.

Изменение частоты звука вследствие эффекта Доплера можно подсчитать по формуле:

v = v0 /(1±u/w)

где u — скорость, с которой движется источник распространяющегося звука, w — скорость звука в воздухе (340 м/сек), v0 — частота источника звука, v — слышимая частота. Знак «минус» в знаменателе относится к приближающемуся источнику звука, знак «плюс» — к удаляющемуся.

А что будет, если источник звука летит на вас со скоростью звука или даже скорее, чем звук? Когда в небе проносится реактивный самолет, он обгоняет производимый им грохот. Сначала вы увидите летящий низко самолет, а затем уже, когда он скроется за горизонтом, до вас дойдет звук значительно более низкий, чем тот, который можно услышать на аэродроме при старте.

Ударная волна

Пока самолет летит медленнее звука, все происходит по формуле Доплера: он догоняет свой звук, частоты соответственно изменяются. Как только самолет достиг скорости звука, он начинает двигаться вместе со звуком. Но вот он увеличивает скорость, обгоняет звук. Все звуковые колебания воздуха должны оставаться сзади самолета, в конусе, угол которого тем меньше, чем скорость самолета больше скорости звука.

Но так происходило бы, если бы самолет возбуждал только слабые возмущения в воздушной среде, такие, как звук. Но самолет — источник очень сильных возмущений. При полете со сверхзвуковой скоростью воздух перед летящим телом уплотняется, и в этом слое воздуха резко возрастают и давление и температура. Этот слой даже удается сфотографировать, настолько в нем отличны и плотность и коэффициент преломления от обычного воздуха. Скорость звука в таком слое тоже меняется, она становится больше скорости самолета. Возникает так называемая ударная волна, она намного обгоняет самолет. Распространяясь, ударная волна затихает, и ее скорость сравнивается с обычной звуковой; следовательно, она уже отстает от самолета.

Иногда в безоблачный день вы слышите, будто удар грома. С удивлением ищете в небе грозовое облако, но, приглядевшись, видите вместо него серебристую точку... Это — скоростной самолет, а удар «грома» — остатки его ударной волны, давно уже превратившейся в звуковую. Если такой самолет пролетит на высоте в 20 м вдоль колонны автомобилей, идущих по шоссе, мощная ударная волна разобьет все автомашины и сбросит их остатки в кювет.

Резонаторы

Чтобы раскачать качели, надо их подталкивать в такт с их движением. Если толкать, как попало — не в такт, — сильно раскачать не удастся. То же самое происходит с любыми колебаниями, например со звуковыми волнами, с волнами на воде.

Неподалеку друг от друга поставлены два камертона, настроенные на одну и ту же частоту колебания. Если один из камертонов заставить звучать, его звуковая волна раскачает и другой камертон. Это явление называется резонансом. Прекратив звучание первого камертона, вы можете услышать, что второй некоторое время продолжает звучать. Но камертон, настроенный на другую волну, не отзовется на звучание первого, не будет резонировать.

Резонанс широко используется в акустике. Дека рояля, корпус скрипки, раструб валторны, радиорупор — все это резонаторы. Звук одной только скрипичной струны не слышен будет в концертном зале, его во много раз усиливает резонатор — корпус скрипки. Как резонатор действует и сам концертный зал.

Звучащее тело преобразует не всю полученную им энергию в энергию звука. Резонатор увеличивает коэффициент такого преобразования. Корпус скрипки собирает слабые звуки и раскачивает ими основной звук, как качели. Кроме того, резонаторы музыкальных инструментов придают звуку своеобразный тембр, окраску, мягкость звучания своими обертонами.

Но форма наилучшего резонатора остается до сих пор загадкой для науки. Почему в одном зале слышны все звуки, издаваемые скрипкой, а в другом, с такой же кубатурой, некоторые звуковые оттенки пропадают? Почему, слегка изменив форму у корпуса скрипки, можно намного усилить ее звук? Почему скрипки, изготовленные в XVII — XVIII столетиях итальянскими мастерами Амати, Страдивари и Гварнери, сейчас еще пока невозможно превзойти? Все это предстоит разгадать ученым.

Звук на службе человека

Физические явления изучаются не только для того, чтобы понять их сущность, но и для того, чтобы научиться ими управлять, чтобы с их помощью бороться со стихиями природы. Так действовал человек всегда со времен возникновения человеческого общества.

Одно из первых явлений природы, которое человек наблюдал, которое стремился понять,— это эхо. Очевидно, еще в раннем, каменном веке человек научился пользоваться этим явлением для ориентировки в горной местности.

Отражение звука от препятствий во многом похоже на полет мяча, брошенного на землю или на стену. Угол его падения равен углу отражения. В горном ущелье мы слышим многократное эхо. Это значит, что к нам приходят звуки, отраженные от нескольких скал. Если в горах крикнуть и отметить время до прихода эха, то легко определить расстояние до места, от которого звук был отражен. Для этого достаточно умножить скорость звука на засеченное время и это произведение разделить на два, так как за это время звук прошел «туда» и «обратно».

В 1887—1889 гг. звук впервые был применен для определения глубины моря. Источником звука был колокол, звучавший под водой. Результаты опытов не были утешительными: звук, отражаясь от дна, давал очень слабое эхо, еле слышное в общем шуме моря.

Колокол использовали для предупреждения кораблей во время тумана. Он звонил под водой в центре опасной при тумане бухты. Корабли, направляющиеся в гавань, опускали по бортам слуховые трубы, похожие на уши. Но звучание колокола оказалось и для этого слишком слабым.

Значительно сильнее звук дает сирена — вращающийся диск с отверстиями, через которые продувают струю воздуха. Колокол заменили сиреной.

К измерению глубины моря с помощью эха вернулись несколько лет спустя. В 1912 г. был сконструирован специальный прибор — эхолот. У одного из бортов корабля взрывали в воде пороховой патрон, звук взрыва после его отражения от дна принимался на другом борту. Эхолотом можно было измерять глубины до 150 м. Эхолотом был заменен менее совершенный прибор — лот (канат с грузом на конце и метками длины).

Вскоре произошло событие, расширившее применение эхолота. В Атлантическом океане в сильный туман корабль-гигант «Титаник» столкнулся на полном ходу с огромным айсбергом. Корабль очень быстро затонул. С тех пор для обнаружения препятствий на пути кораблей стали пользоваться эхолотом. Его повернули из вертикального положения в горизонтальное. Зрение лоцмана, когда не видно ни зги, стали заменять эхолотом.

В наше время эхолот усовершенствован и называется уже гидролокатором. Он действует по тому же принципу ультразвуковыми волнами: ультразвуковой луч, посланный излучателем, отражается от препятствия, возвращается обратно и улавливается звукоприемником. Посылая звук, регистрируют время. Зная, с какой скоростью распространяется ультразвук в воде, можно определить расстояние до препятствия и даже его форму. С помощью гидролокатора было найдено много затонувших кораблей. Усовершенствованный гидролокатор излучает ультразвук не непрерывно, а через определенные промежутки времени. Эхо улавливается несколькими приемниками, отстоящими друг от друга на некотором расстоянии. Все это позволяет более точно определить место препятствия перед кораблем или очертания морского дна.

Широко применяется ультразвук в металлургии. Он хорошо распространяется в металлах, и ультразвуковое эхо используется для определения качества металлических изделий. Если в таком изделии есть инородные вкрапления (раковины), ультразвуковой луч отражается от них, как от препятствия. Сконструирован специальный прибор — ультразвуковой дефектоскоп. Но этот прибор позволяет обнаружить лишь наличие дефекта и расстояние до него от поверхности изделия. Форму и размеры дефекта можно увидеть с помощью ультразвукового микроскопа. В таком приборе ультразвуковой луч «ощупывает» дефект в металле и дает его изображение на экране электронно-лучевой трубки, похожей на трубку в телевизоре.

Оба эти прибора работают на волнах очень высокой частоты. Зная примерно размеры дефекта, который должен быть обнаружен в металлическом изделии, легко рассчитать частоту волны, могущей его определить. Если приме-

нить ультразвук с самой малой частотой — 20 кгц, то длина его волны в металле (при скорости звука 5000 м/сек) будет:

l =5000/20000= 0,25 м.

Это значит, что волною такой частоты можно измерить дефект, размеры которого не меньше 0,25 м. Звуковые и ультразвуковые волны, так же как и все прочие волны в природе, не отражаются от препятствий с размерами меньшими, чем длина волны. Они их просто огибают. Это явление называется дифракцией.

Ультразвук

Неслышимые» звуки

Колебания с частотой менее 16 гц не воспринимаются нашим слухом — это инфразвук. Не слышны также колебания с частотой более 20 000 гц — это ультразвук. Когда были созданы высокочувствительные приемники звуков

для самых различных частот, обнаружилось, что инфра- и ультразвуки распространены в природе так же широко, как и звуки слышимые. Выяснилось, что их излучают и воспринимают живые существа на суше, в воздухе и в воде и используют их для своих «переговоров». Собаки, например, воспринимают ультразвуки с частотой до 40 кгц. Этим пользуются дрессировщики, чтобы подавать собаке команду, неслышимую людьми. Установленные в море приемники ультразвука обнаруживают его при появлении «плавающих островов» планктона. Оказалось, что крохотные веслоногие рачки в этом планктоне создают ультразвуковые волны, потирая лапку о лапку. В море были обнаружены и слышимые звуки: их издают некоторые рыбы (см. в т. 4 ст. «Звуки моря»). Издает звуки и само море. Их называют «голосом моря». Частота таких звуков меньше 16 гц. Порывистый ветер где-то далеко зарождает шторм, приводит в движение поверхность воды. Сжатие и разрежение морской волны передаются в пространство над водой и порождают инфразвуковые волны.

Инфразвуковое излучение ощущают различные жители моря: медузы, ракообразные существа, морские блохи и гоморусы. Прибрежные животные, услышав «голос моря», прячутся в морской глубине или в водорослях. Еще раньше узнают о приближении шторма морские животные, находящиеся вдали от берега, потому что звук вообще распространяется в воде в 5 раз быстрее, чем в воздухе,— со скоростью 1460 м/сек.

Инфразвук мы не слышим, но можем его ощущать. Иногда в троллейбусе компрессор воздушного тормоза начинает работать ненормально, и пассажиры, хотя и не слышат звук, ощущают боль в ушах. Компрессор издает инфразвук. Обычно инфразвук содержит обертоны, которые мы можем слышать. Например, в грохоте грома основная масса звуковой энергии сосредоточена в инфразвуковой области, мы же слышим в громе только обертоны, более высокие, чем инфразвук.

Инфразвук по сравнению со слышимыми звуками мало поглощается воздухом, потому инфразвуковая волна распространяется на очень далекие расстояния. Приборами улавливаются инфразвуковые волны на большом расстоянии от его источника. Интересно, что на своем пути инфразвук очищается от своих обертонов, так как воздух поглощает их.

Инфразвук имеет большое значение в военном деле. Улавливая его приборами, весьма точно определяют место, откуда действует дальнобойная артиллерия.

В воде инфразвук поглощается также значительно слабее слышимых звуков и потому может быть уловлен за много сотен километров. Это помогает рыболовецким судам быстро находить стаи рыб, издающих инфразвук.

На очень большой морской глубине, куда не проникает свет, живут рыбы, у которых нет зрения. Но они возмещают его способностью издавать ультразвуковые волны и воспринимать эхо от этих волн. Это позволяет им не только ориентироваться при движении, но и охотиться на других рыб.

Ультразвуком пользуется и летучая мышь. Наблюдая ее стремительный полет, невольно ожидаешь, что она вот-вот налетит на ствол дерева или стену здания. Но каждый раз, встречая на пути препятствие, она стремительно взмывает вверх или круто поворачивает в сторону. Исследования естествоиспытателей доказали, что зрение у летучей мыши весьма слабое. Она почти слепа. Но умение пользоваться ультразвуком и его отражением от предметов помогает ей ориентироваться в сложной обстановке и на лету ловить добычу — мелких мошек.

Излучатели ультразвука

Чтобы излучатель мог создавать упругие волны ультразвука, частота его колебаний должна превышать 20 000 гц. Такие излучатели открыты уже давно, но применяться стали совсем недавно. В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Поль Кюри исследовали свойства кристаллов. Они заметили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникают электрические заряды: на одной грани — положительные, на другой — отрицательные. Таким же свойством обладают кристаллы турмалина, сегнетовой соли, даже сахара. Заряды на гранях кристалла возникают и при его растяжении. Но на грани, дававшей при сжатии положительный заряд, при растяжении будет отрицательный, и наоборот.

Такое возникновение электрических зарядов на кристаллах было названо пьезоэлектричеством (от греческого слова «пьезо» — давлю). Кристалл, имеющий такое свойство, называют пьезоэлектриком. В дальнейшем братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим: если на гранях кристалла создать разноименные электрические заряды, он либо сожмется, либо растянется, в зависимости от того, к какой грани приложен положительный и к какой отрицательный заряд.

Пьезоэлектричество впервые было практически применено лишь в мировой войне 1914— 1918 гг. Французский ученый Поль Ланжевен предложил использовать это явление, чтобы обнаруживать подводные лодки. Винт лодки порождает при своем вращении упругие волны. Они распространяются в воде со скоростью 1460 м/сек. Если пьезоэлектрический кристалл, опущенный в воду, окажется на пути ультразвуковой волны, то волна сожмет его грани и на них появятся электрические заряды.

Ланжевен изобрел и излучатель ультразвуковых волн. Пробуя заряжать грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты, он установил, что кристалл совершает при этом колебания в такт изменению напряжения тока. Одна пластинка кристалла излучает ультразвук очень малой мощности. Чтобы получить большую мощность колебаний, Ланжевен составил из многих кварцевых пластинок мозаичный слой. Кварцевую мозаику он вложил между двумя стальными листами. Они и скрепляли ее, и были электродами.

Чтобы увеличить амплитуду колебаний у пластинок кристалла, Ланжевен воспользовался явлением резонанса: если собственная частота колебаний пластинки совпадает с частотой колебаний напряжения на электродах, амплитуда колебаний на пластинке резко возрастает. Исследования Ланжевена дали возможность изготовлять кварцевые излучатели ультразвука различных частот.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают не только кристаллы, но и керамика из титаната бария. У керамических излучателей много преимуществ перед кварцевыми. Им можно придавать любые размеры и любую форму. Ультразвук можно получать и другим способом. Еще в 1847 г. физик Джоуль, изучая магнитные свойства металлов, обнаружил, что железные и никелевые стержни изменяют свои размеры при перемагничивании электрическим током. Когда направление тока в обмотке изменяется, стержень то уменьшается, то увеличивается в такт изменениям в направлении тока. В окружающей среде при этом возбуждаются упругие волны, частота которых определяется колебаниями стержня. Это явление было названо магнитострикцией.

Вещество в звуковом поле

Звуковая или ультразвуковая волна, распространяясь в веществе, вызывает колебания его частиц. Амплитуда колебаний зависит от силы звука — чем больше сила звука, тем больше амплитуда смещения частиц. Частицы веществ, подвергнутых действию звукового поля большой силы, интенсивно колеблются. Если подвергнуть действию мощного ультразвука две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду, то на границе взаимного соприкосновения они начинают интенсивно перемешиваться, как бы проникая друг в друга. При этом образуется эмульсия, состоящая из мельчайших капелек масла, распределенных в воде. Так получают, например, различные лекарства, а в пищевой промышленности — маргарин, майонез, различные соусы и т. п.

Используется ультразвук и при изготовлении светочувствительных эмульсий для фотопленки и фотобумаги. Он раздробляет зерна бромистого серебра и перемешивает их в каком-либо коллоиде, например в желатине. Чем мельче получаются зерна, тем большее увеличение допускает фотоснимок.

В других случаях ультразвук используют не для раздробления, а чтобы заставить слипнуться мельчайшие частицы, засоряющие жидкость или газ. Это возможно в том случае, если слипшиеся частицы не разрушаются в том же звуковом поле. Если воздух, в котором много пыли — твердых частиц, взвешенных в воздухе (сажи, цемента, золы и т. п.),— подвергнуть мощному воздействию ультразвука (с интенсивностью 0,2—0,5 вт/см² ), мельчайшие твердые частички слипаются друг с другом так прочно, что тот же ультразвук не может преодолеть силы их молекулярного взаимодействия. Образуются крупные частицы, которые уже легко улавливаются фильтрами или просто оседают под действием силы тяжести. Если сфокусированный вогнутым излучателем пучок ультразвуковых волн с частотой от 0,8 до 2 Мгц направить из жидкости вверх, произойдет интересное явление. Мы уже знаем, звуковые волны не могут перейти из более плотной среды (воды) в менее плотную (воздух) — они полностью отразятся от поверхности раздела. При отражении поверхность воды будет испытывать давление. Стена, например, тоже, отражая мяч, испытывает давление. Возникает так называемое давление звукового излучения (не смешивать со звуковым давлением). Оно в сотни и тысячи раз меньше звукового давления, и природа его совершенно другая. Звуковое давление изменяется в каждой точке и распространяется радиально; давление звукового излучения всегда действует в одну сторону, и величина его неизменна, если не меняется сила звука. Давление излучения звука образует на поверхности жидкости своеобразный холм или горб высотой до 50 см (при помощи ультразвука интенсивностью в 50 вт/см² ). При этом некоторые жидкости интенсивно распыляются, образуя плотное облако тумана. Жидкость будто кипит. Сущность этого явления очень сложна и связана с образованием капиллярных волн на поверхности жидкости; они подобны морским волнам, только размеры их в миллионы раз меньше — доли микрона. Из гребней этих волн и образуются мельчайшие частички «ультразвукового тумана».

Кавитация

Применение ультразвука значительно расширилось после того, как было открыто явление кавитации. Уже давно было замечено, что гребные винты морских судов быстро изнашиваются при увеличении числа оборотов. Поверхность хорошо отполированного, не поддающегося ржавлению винта покрывалась мелкими щербинками. Гидродинамические свойства винта, т. е. способность его приводить судно в движение, резко ухудшались. Так же разрушались и лопасти гидротурбин. Причину этого явления удалось установить лишь после того, как обнаружили, что так же разрушается поверхность электродов, нанесенных на кварцевый пьезоэлектрик, если он излучает мощные ультразвуковые колебания.

При работе гребного вала и лопастей гидротурбины создаются в жидкости мощные упругие колебания ультразвуковой частоты. В момент разрежения волны образуются в жидкости разрывы, заполненные растворенным в воде газом, — кавитационные пузырьки. Легче всего они возникают там, где есть частицы воздуха или каких-то примесей. В слое сжатия очень большое давление, оно вызывает кавитацию: разрывы в жидкости исчезают, и происходит гидравлический удар. Эти гидравлические удары и разрушают металлическую поверхность винта или лопастей. Удар одного кавитационного пузырька слаб, но на поверхность металла обрушиваются тысячи таких ударов.

Ударная волна сверхзвукового самолета и пастушеский кнут.

Полеты сверхзвуковых самолетов над населенными пунктами строго запрещены. Обычный самолет звуковые волны обгоняют и, распространяясь по всем направлениям, постепенно безобидно затухают. Самолет, летящий со скоростью более 1200 км/час, сам обгоняет свои собственные звуки. Рокот работающих моторов, свист и грохот рассекаемого крыльями воздуха, все звуковые волны сливаются в одну мощную ударную волну, в вершине которой быстрее звука летит самолет.

Достигая земной поверхности, ударная волна приносит много бед: из окон вылетают стекла, рушатся стены, от страшных ударов, сильнее грома, можно навсегда оглохнуть. Поэтому испытания сверхзвуковых самолетов проводят в пустынной местности, где ударные волны не могут причинить вреда.

Но мало кому известно, что грозные ударные звуковые волны давно уже несут скромную, мирную и полезную службу — они помогают стеречь колхозные стада. Хороший кнут пастуха устроен очень разумно и целесообразно.

Умелый сильный взмах кнутовищем, и вдоль по веревке кнута побежит короткая волна — изгиб. Кинетическая энергия будет сохраняться неизменной по всей длине пробега. Но к концу кнут тоньше, масса меньше, энергия волны постоянна, следовательно, скорость будет очень быстро и очень сильно возрастать, достигая сверхзвуковых значений. Возникает мощная ударная звуковая волна — резкий и оглушительный, как выстрел, удар кнута. Ударную звуковую волну нередко можно услышать и в цирке. Укротитель с ее помощью приводит к послушанию даже львов.

Кавитация, возникающая при работе гребного винта, конечно, вредное явление. Но ее можно сделать и полезной. Кавитацию создают искусственно, например пьезоэлектриками. И тогда удается использовать ее при обработке твердых хрупких материалов — стекла, фарфора, драгоценных камней, сверхтвердых сплавов. С ее помощью можно чистить очень загрязненные или заржавленные металлические детали. Очистка происходит мгновенно. Тысячи разрывающихся в жидкости кавитационных пузырьков снимают с металла и ржавчину и грязь.

Ультразвук в медицине

Ультразвук может резать не только стекло и металлы, но и живую ткань. Обычно при хирургической ампутации руки или ноги врач работает скальпелем и пилой. Но их можно заменить ультразвуковым лучом. Такая операция проходит быстрее, и ткани тела заживляются после нее значительно лучше. С помощью ультразвукового луча можно исследовать расположение внутренних опухолей. В огрубевших от опухолей тканях скорость ультразвуковой волны иная, чем в здоровых. Измеряя скорости прохождения ультразвука через тело,

можно очень точно определить границы опухоли. Особенно успешно такие исследования проводятся в коре головного мозга.

Ультразвук обладает способностью разрушать живые ткани. Первыми его жертвами были рыбы, убитые и оглушенные ультразвуком, когда Ланжевен и Вуд испытывали эхолоты в бухте Тулона. Обитающие в воде микробы при облучении их ультразвуком погибают, ультразвуковые колебания их прямо-таки разрывают на части: разрушается оболочка их клетки, да и само внутриклеточное вещество. Поэтому ультразвуком можно обеззараживать воду.

Ультразвук применяют в медицине, чтобы разрушить, например, клетки раковых опухолей или камни в печени. Успешно разрабатывается совершенно безболезненное лечение зубов с помощью ультразвука.

Акустика — не завершенная наука, ведь завершенных наук не существует. В ней много важных и еще не решенных проблем и даже загадочных... О некоторых мы вам рассказали, с другими столкнется тот из вас, кто в будущем выберет себе увлекательную специальность физика-акустика.