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.
Если мы попробуем превратить звуковую энергию в теплоту, то увидим, насколько мала энергия, излучаемая обычными источниками звука, по сравнению с энергией современных мощных генераторов звука. Действительно, для того чтобы нагреть до кипения стакан воды, превратив в теплоту энергию, затрачиваемую нами при разговоре, понадобилось бы, в зависимости от громкости голоса, говорить непрерывно от 75 до 2 тысяч лет. Если же использовать звуковую энергию, излучаемую современными мощными источниками звука, то потребуется всего около 7 минут.
Обычно силу звука мы оцениваем на слух, однако измерить ее таким образом нельзя, так как чувствительность уха имеет свои особенности. Именно эти особенности и объясняют, почему мы так долго не знали о существовании ультразвуков и в такой старой области знания, как акустика, могли сохраниться неизученными, подобно «белым пятнам» на географической карте, целые большие разделы.
Человеческое ухо по-разному воспринимает звуки различной частоты. Особенно велика чувствительность его к звукам, частоты которых лежат в интервале от 1 тысячи до 3 тысяч колебаний в секунду. В этой области мы воспринимаем даже такие звуковые волны, в которых изменение давления в тысячи раз меньше, чем изменение давления, испытываемое человеческой рукой, на которую сел комар. Еще немного, и мы воспринимали бы как звук те случайные увеличения плотности воздуха, которые возникают в результате беспорядочного движения его молекул. А так как такие уплотнения происходят непрерывно, то окружающий нас мир был бы в этом случае наполнен не прекращающимся ни на мгновение шумом.
Чувствительность уха характеризуют той наименьшей силой звука, которая необходима для того, чтобы звук был услышан, — это будет порог слышимости. Естественно, что чем выше чувствительность, тем ниже порог слышимости.
С уменьшением частоты звука уменьшается наша способность к его восприятию и соответственно возрастает порог слышимости.
Для того чтобы быть услышанным, звук очень низкого тона, частота которого 100 колебаний в секунду, должен быть сильнее, чем, например, звук с частотою 3 тысячи колебаний в секунду.
Звуковые же волны, колебания в которых происходят очень медленно, скажем меньше 16–20 раз в секунду, вовсе не будут восприниматься человеческим ухом. Это — неслышимые инфразвуковые волны.
Невосприимчивость нашего уха к колебаниям низкой частоты важна для человека: она дает ему возможность не слышать биения собственного сердца, которое иначе воспринималось бы как непрерывный рокот.
Не воспринимает ухо человека и звуков очень большой частоты. В зависимости от возраста и индивидуальных особенностей человек не слышит звуков, частоты которых превышают 16–20 тысяч колебаний в секунду.
Эти неслышимые человеческим ухом высокочастотные звуковые колебания называют ультразвуками.
Физическая природа всех звуков едина, и, как мы видим, деление звуковых волн на слышимые и неслышимые условно. Оно связано с особенностями нашего уха.
Среди волн, частоты которых соответствуют слышимым звукам, наше ухо не способно воспринимать как очень слабые, так и очень мощные звуки.
Когда сила звука делается достаточно большой, человек перестает слышать звук и воспринимает звуковые колебания как ощущение давления или боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения.
Как показывает опыт, сила, при которой звуки разной частоты вызывают появление болевого ощущения, различна; поэтому мы можем заключить, что порог болевого ощущения изменяется при изменении частоты звука. В области частот, соответствующей максимальной чувствительности человеческого уха, то есть там, где мы различаем самые слабые звуки, наше ухо может воспринимать без ощущения боли и очень мощные звуки.
Если силу наиболее слабого из воспринимаемых ухом звуков условно принять за единицу, то сила наиболее мощного звука той же частоты, который еще не будет вызывать ощущения боли, выразится числом, состоящим из единицы и 12 нулей!
Сказанное наглядно поясняет рис. 4. Вдоль горизонтальной оси отложена частота звука, вдоль вертикальной — сила звука.
Сплошная кривая соответствует порогу слышимости, а пунктирная кривая — порогу болевого ощущения.
Как можно убедиться, взглянув на рисунок, верхняя и нижняя кривые сближаются как при значительном увеличении частоты, так и при ее уменьшении. На рисунке при этом выделяется определенная область частот, которые соответствуют волнам, воспринимаемым человеческим ухом как звук. В заштрихованной части этой области находятся волны, используемые нами при разговоре и в музыке. Как мы видим, это только очень небольшая часть тех волн, которые воспринимает человеческое ухо.
Многие читатели, несомненно, задумаются над тем, имеется ли предел увеличению частоты звуковых колебаний.
Замечательный русский физик Петр Николаевич Лебедев, впервые применивший в исследовательской работе ультразвук, обратил внимание на то, что затухание высокочастотных звуков ставит предел распространению их в воздухе. П. Н. Лебедев подсчитал, что звуки с частотой около 5 миллионов колебаний в секунду практически не будут распространяться в воздухе, они будут затухать непосредственно у источника колебаний.
Хотя в жидких и твердых телах звук затухает несравненно медленнее, все же и в них нельзя беспредельно увеличивать его частоту. Рано или поздно мы, наконец, достигнем частот, соответствующих тепловым колебаниям молекул. Такие частоты будут верхней границей области ультразвуковых колебаний. Но чтобы достичь верхней границы ультразвуковых колебаний, надо увеличить частоту колебаний ультразвука еще в несколько тысяч раз по сравнению с той, которой удалось достичь сейчас.
Некоторые из замечательных свойств ультразвука, такие, например, как ускорение им химических превращений или способность дробить вещество, объясняются в большей степени его мощностью, нежели высокой частотой колебаний. Когда удалось получить достаточно мощные слышимые звуки, обнаружилось, что и они вызывают сходные действия. Поэтому когда в наше время говорят о практическом использовании ультразвуков, то часто обсуждают и возможные применения мощных слышимых звуков.
Глава 2.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.