1. Скорость звука
На фоне клубов чёрного дыма показывается струйка белого пара. Спустя некоторое время слышен свисток. Это машинист подаёт сигнал о приближении поезда.
Ночную тьму пронизывает огненная вспышка, через несколько секунд доносится звук выстрела артиллерийского орудия.
Понаблюдайте за работой плотника издали. Вы легко заметите, что когда плотник поднимает топор для следующего удара по дереву, звук слышен только от первого удара.
Всё это убеждает нас в том, что свет и звук распространяются с различной скоростью. Свет обгоняет звук, и поэтому мы сначала видим, а потом слышим. Скорость света — самая большая скорость в природе: она равна 300 миллионам метров в одну секунду. Скорость же звука в воздухе составляет всего около 340 метров в секунду, т. е. в 900 тысяч раз меньше.
Интересно отметить, что скорость пули при вылете из ствола винтовки почти в три раза больше скорости звука. Когда пуля летит по прямой линии, то есть по такому же пути, как и звук, она обгоняет звук выстрела. В этом случае звук не может служить предостережением. Другое дело при стрельбе из гаубиц или миномётов. Здесь снаряд летит по кривой (с большим углом возвышения); путь его к цели тем самым удлиняется, и звук выстрела может опередить снаряд.
За движением звуковой волны можно проследить даже взглядом! Представьте себе, что идёт длинная колонна людей с оркестром впереди. Все шагают в такт музыке. Но если посмотреть со стороны, то нетрудно заметить, что последние ряды идут не в ногу с первыми. Это происходит потому, что звук оркестра до задних рядов доходит позже.
Но скорость звука — величина непостоянная. Даже в одном и том же веществе она не всегда одинакова. Так, в воздухе при двадцатиградусном морозе звук проходит 318 метров за секунду, а при 20 градусах тепла — 342,5 метра. В различных твёрдых телах и жидкостях звук также распространяется с различными скоростями.
Скорость звука в воде впервые была измерена в 1827 году. С борта одной лодки на верёвке в воду был спущен колокол (рис. 10). Вторая лодка находилась на расстоянии 13 847 метров от первой (рис. 11). В тот момент, когда на первой лодке молоток ударял в колокол, на ней одновременно производилась и вспышка пороха. На второй лодке человек наблюдал момент вспышки и отмечал момент прихода звука от колокола. Таким путём было вычислено время пробега звуковой волной рас- стояния между лодками по воде. Оказалось, что скорость звука в воде в четыре раза больше, чем в воздухе. За одну секунду звук в воде проходит 1435 метров.
Рис. 10. Измерение скорости звука в воде. Человек, сидящий в этой лодке, передаёт звук
Рис. 11. Измерение скорости звука в воде. Здесь человек воспринимает звук
В большинстве твёрдых тел скорость звука ещё больше. Например, в дереве она достигает 4800 метров, в стали — 5000 метров, в стекле — 5600 метров в секунду.
Звуки, различные по высоте, распространяются в одном и том же веществе с одинаковой скоростью. Если бы это было не так, то нельзя было бы слушать музыку издалека. Одни звуки обгоняли бы другие и вместо стройной мелодии вдали от оркестра слышался бы просто шум.
Некоторые племена, например, племена экваториальной Африки, ещё и поныне непосредственно используют звук как средство связи. Для этой цели чаще всего употребляются специальные барабаны. Услышанные в одном месте, условные звуковые сигналы тотчас же передаются дальше. Таким путём очень скоро всё племя оповещается о каком-либо событии.
Этот способ требует, однако, много времени. Подсчитаем, например, с какой быстротой может быть передан звуковой сигнал из Москвы в Ленинград. Расстояние между этими городами 640 километров. Будем считать, что звук в воздухе за одну секунду проходит 340 метров.
Если бы мы могли крикнуть так громко, чтобы звук из Москвы долетел до Ленинграда, нас услышали бы через 31 минуту. Но звук быстро ослабевает с расстоянием и вскоре становится неслышимым. Чтобы передать звук на такое большое расстояние, его надо по мере затухания воспроизводить в пути с новой силой. Для этого пришлось бы на определённом расстоянии друг от друга расставить людей. Каждый из них, услышав сигнал соседа, стоящего ближе к Москве, должен тут же передать его соседу в сторону Ленинграда. Ясно, что на такую передачу будет затрачено значительно больше получаса.
После того как изобрели телефон, телеграф и радио, такой способ передачи звука на большие расстояния потерял смысл.
Современные способы связи основаны на том, что звук передаётся на большие расстояния при помощи электрического тока по проводам (телефон), либо при помощи электромагнитных колебаний, распространяющихся в пространстве, практически, мгновенно (радио).
Когда человек говорит в микрофон, включённый в электрическую цепь, звуковые волны вызывают электрические колебания. Эти колебания со скоростью света идут по проводам или по воздуху. Станция приёма полученные сигналы снова переводит в звуки. При этом звуковые волны проходят очень короткий путь: от говорящего человека до микрофона и от телефонной трубки или репродуктора до уха слушающего. Всё остальное расстояние звук как бы «переносится» электромагнитными колебаниями. Благодаря такому способу передачи звуки переносятся моментально на тысячи километров.
Представьте себе двух человек, один из которых слушает концерт в зале Московской консерватории, а другой — дома, по радио, находясь где-нибудь на Дальнем Востоке. Кто из них раньше будет слышать музыку?
Если первый находится в 15–20 метрах от оркестра, то к нему по воздуху звуки дойдут приблизительно за 0,05 секунды.
Эти же звуки, переданные через микрофон на радиостанцию и затем в пространство при помощи радиоволн, помчатся со скоростью 300 тысяч километров в одну секунду и за 0,05 доли секунды они окажутся где-нибудь в Тихом океане или Америке. Нашего же слушателя они достигнут примерно за половину указанного времени. И получается так, что слушающий по радио на расстоянии 7–8 тысяч километров слышит звуки музыки на 0,02-0,03 доли секунды раньше, чем человек, находящийся в концертном зале!
2. Когда слышно вдали и не слышно вблизи
Чтобы лучше слышать разговор, пение или музыку, мы подходим или садимся поближе, так как каждому ясно, что вблизи звук слышней, чем издали. Но как ни странно, это не всегда верно! Бывает и так, что в местах, расположенных к источнику ближе, звука не слышно совсем, а вдали слышно хорошо. Известен, например, такой случай. В Англии на одном военном заводе однажды произошёл огромный взрыв. На расстоянии 180 километров от завода взрыв был отчётливо слышен, а жители селений, расположенных всего в 30 километрах от завода, и не подозревали о случившемся несчастье.
Много подобных фактов известно и в военной практике.
Вот пример из одной войны прошлого века. Генералу был дан приказ атаковать подчиненными ему частями фланг противника в момент наступления основных сил на главном направлении. Генерал расположился в трёх милях от места действия и стал внимательно наблюдать, чтобы уловить начало боя. Но с поля битвы не доносился ни один звук, и войска генерала бездействовали. Битва, продолжавшаяся около трёх часов, окончилась, а генерал так и не услышал ни одного выстрела. Звук его миновал. Отсутствие иных средств связи привело к тому, что время для атаки было упущено.
Известны и такие случаи, когда звуки боя, не слышные в штабе корпуса, отчётливо слышны в расположении, например, штаба армии, отстоящего от линии фронта значительно дальше.
Из времён франко-прусской войны в литературе описан такой случай. Накануне было холодно и стоял густой туман; воздух был полон звуками войны. А в этот день было ясно и тепло. Стояла мёртвая тишина, люди думали, что начались переговоры о мире и поэтому военные действия прекратились. Каково же было их изумление, когда они узнали, что весь этот день с самого утра происходила интенсивная артиллерийская перестрелка, которая не была им слышна! Подобных примеров можно привести много.
Вы знаете, что в опасных для плавания судов местах — на мысах, мелях, подводных камнях — часто выставляются предупреждающие световые или звуковые маяки. Тёмной ночью яркий свет виден за десятки километров. Но в туман, пургу или сильный дождь это расстояние сильно уменьшается. Тогда большую услугу оказывают звуковые сигналы — сирены, гудки, колокольный звон или стрельба из орудий. Однако и эти сигналы также не всегда надёжны: в отдельных местах около таких маяков звук пропадает.
Мы привыкли думать, что если на пути звука нет видимых преград, то он слышен повсюду, начиная от источника и кончая расстоянием, где звуковая волна ослабевает настолько, что перестаёт действовать на ухо. Но это не всегда верно. Почему же в каких-то местах своего пути звук исчезает и образуются «зоны молчания»?
Оказывается, воздух не везде однороден для звука. Известно, что воздух постоянно находится в движении. Скорость его движения в различных слоях не одинакова. В слоях, близких к земле, воздух соприкасается с её поверхностью, зданиями, лесами и поэтому скорость его здесь меньше, чем вверху. Благодаря этому и звуковая волна идёт не одинаково быстро вверху и внизу. Если движение воздуха, т. е. ветер — попутчик звуку, то в верхних слоях воздуха ветер будет сильнее подгонять звуковую волну, чем в нижних. При встречном ветре звук вверху распространяется медленнее, чем внизу. Такое различие в скоростях сказывается на форме звуковой волны. В результате искажения волны звук распространяется не прямолинейно. При попутном ветре линия распространения звуковой волны изгибается вниз, при встречном — вверх.
На рисунке 12 изображены пути и форма звуковых волн. Ветер дует слева. В любом месте поверхности земли, справа от завода, звук гудка слышен. Если же стать слева, в месте, обозначенном цифрой 1, то звуковая волна пройдёт над головой и звука слышно не будет.
Рис. 12. Распространение звука заводского гудка по ветру и против ветра. Пунктирные линии показывают форму расходящейся звуковой волны при отсутствии ветра; сплошные линии — форму звуковой волны при ветре, дующем слева направо
Часто этим свойством звука пользуются охотники при выслеживании добычи. Они стараются приближаться к ней против ветра. Тогда шорох шагов не вспугивает животное, звуковая волна поднимается от поверхности земли вверх и проходит над его головой. Вспомните, как из-под самых ног вылетают иногда птицы, когда мы проходим по лесу. Подойти к птице, сидящей на дереве, или к крупному зверю значительно труднее, — поднимающаяся вверх волна уносит на значительное расстояние даже очень слабые звуки нашего приближения.
Когда звуковая волна проходит близко от земли, то благодаря трению она очень сильно ослабевает и вскоре делается неслышимой. Ровная поверхность плотного снега или спокойной воды создаёт меньшее трение, чем земля, покрытая травой, кустами или строениями. Вот почему всплески вёсел, например, далеко слышны над водой.
Многие убеждены, что против ветра звук всегда слышен на меньшем расстоянии, чем по ветру. Покажем, что и это не всегда так. Обратимся к тому же рисунку 12. Пусть один человек встанет слева от источника звука, но на возвышенности (в месте, обозначенном цифрой 2), а другой будет стоять на таком же расстоянии справа на земле (место у цифры 3). К стоящему слева волны доходят по верхним слоям воздуха, где звук ослабевает незначительно, хотя и идёт навстречу ветру. А человек с правой стороны услышит более слабый звук, так как трение о поверхность земли сильно заглушает его.
Скорость ветра сама по себе слишком мала в сравнении со скоростью звука, чтобы существенно влиять на дальность распространения звуковой волны. В самом деле, 20–25 метров в секунду — это сильный ветер, а скорость звука — около 340 метров в секунду. Таким образом, даже против самого сильного ветра звук будет распространяться почти с такой же скоростью, как и в безветренную погоду.
Есть ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это — различная температура отдельных его слоёв. В середине жаркого солнечного дня земля сильно нагревается и нагревает ближайшие к ней слои воздуха. Верхние слои оказываются более холодными. А вы уже знаете, что в тёплом воздухе звук распространяется быстрее, чем в холодном. Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.
Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания» (рис. 13).
Рис. 13. «Зона молчания»
Нетрудно догадаться, что и генерал, и штаб корпуса, и очевидцы сражения из франко-прусской войны все находились в таких беззвучных зонах. Многие из читателей, вероятно, припомнят то же самое из своего опыта, полученного в период Великой Отечественной войны 1941–1945 гг., и могут дать теперь правильное объяснение этому на первый взгляд непонятному явлению.
3. Когда шепчут стены
Если вам приходилось когда-нибудь идти по длинному тёмному коридору, то вы, вероятно, обращали внимание на одно очень любопытное обстоятельство. Приближаясь к концу коридора или к его повороту, вы как бы чувствуете уже на расстоянии стену, преграждающую ваш путь. Кто же предупреждает вас о приближении к преграде? Оказывается, эти предупреждения делает ваш собственный слух. Вспомните, обычно в таких случаях вы стараетесь что-нибудь говорить, покашливать или, шагая, стучать ногами. Прислушиваясь к изменению этих звуков и не вдумываясь в причину явления, вы оцениваете расстояние, отделяющее вас от преграды.
Как это происходит?
Как луч света отражается от зеркала, так и звуковая волна отражается от больших поверхностей, стоящих на её пути. Для того чтобы звук дошёл до стены и, отражённый, возвратился к нам, потребуется некоторое время. Когда отражающая поверхность далеко, время для прохождения звука также сравнительно велико; когда же эта поверхность близка, звук возвращается скорее. Прислушиваясь к этим отражённым звукам, мы и оцениваем расстояние, отделяющее нас от стены или иной преграды. Особенно сильно это чувство развито у слепых. Очень часто слепые люди, впервые приходя в помещение, после нескольких произнесённых фраз довольно точно определяют его размеры на слух.
Мы различаем отдельные короткие звуки в том случае, когда один звук следует за другим не чаще, чем через 1 / 15 долю секунды. Если число отдельных звуков больше 15 в секунду, то они нам покажутся одним непрерывным звуком. Отбивая на барабане дробь, так, чтобы один удар за другим следовал чаще чем через 1 / 15 долю секунды, мы не будем слышать отдельных ударов, — они сольются в единый звук. Когда отражённая звуковая волна возвращается к нам быстрее чем через 1 / 15 долю секунды, то она сольётся с прямой волной от источника, изменяя силу его звука. Подмечая это изменение, мы и оцениваем расстояние до стены.
На каком расстоянии должна находиться стена, чтобы прямой и отражённый звуки сливались в один? Это легко подсчитать. За одну секунду звук проходит 340 метров. За 1 / 15 долю секунды он пройдёт 340 : 15 = 23 метра. Так как звук делает два конца — до стены и обратно, то стена должна быть не дальше 23 : 2 = 11,5 метра.
Прежде чем звуковая волна совершенно затухнет, она в небольшом помещении сотни раз отразится от стен, потолка и пола. В этом случае последний отражённый звук достигнет нашего уха спустя несколько секунд. В продолжение всего этого времени будет ощущаться постепенно уменьшающийся гул. Этим и объясняется гулкость пустых помещений. Нередко люди делают ложное заключение о силе своего голоса, пробуя петь или декламировать в такого рода комнатах. Сравните впечатление от собственного голоса, когда вы поёте в пустой комнате и затем в комнате, заставленной мебелью, устланной коврами, задрапированной шторами, — и вы убедитесь в этом.
Отражение звуковых волн обязательно принимается в расчёт при постройке общественных зданий. Так, например, в зрительных залах театров, во избежание нежелательных отражённых звуков, стены и потолки не делают сплошными и гладкими; их обивают звукопоглощающим материалом, развешивают шторы, занавесы, устанавливают мягкую мебель, устраивают всевозможные ниши и балконы. Звук сильно поглощается такими предметами и не отражается. Зал, предназначенный для большого оркестра, обычно мало пригоден для собраний. Речь в таких залах становится или мало разборчивой, или неестественно глухой. Напрасно в этих случаях некоторые ораторы стараются кричать, желая быть всеми услышанными. Это ни к чему не приводит. С повышением силы голоса возрастает и сила мешающих отражённых звуков.
Явление отражения звуков в некоторых помещениях приводит к интересным результатам. Вот два примера.
Если говорить шёпотом у внутренней стены собора св. Павла в Лондоне, то этот шёпот можно слышать в любом месте, даже на противоположном конце этого огромного здания; при этом необходимо только стать достаточно близко к стене. Создаётся впечатление, будто шепчут сами стены.
Другой пример. Около одного из итальянских городов есть грот; его называют «Ухо Дионисия» (рис. 14).
Рис. 14. Схема распространения звука в гроте «Ухо Дионисия»
Благодаря особой форме свода этого грота в нём есть два удивительных места; они отмечены на рисунке цифрами 1 и 2. Всё, что вы говорите, находясь в месте 1 так отчётливо слышно в месте 2, что можно подумать, будто говорят именно здесь. В промежуточных местах, лежащих значительно ближе к месту 1, совершенно ничего не слышно. Разгадка этого странного на первый взгляд явления в том, что звуки, идущие из места 1, отражаются от свода так, что вновь все собираются в месте 2.
Многие читатели вспомнят подобные явления, встречавшиеся в их жизни, и дадут им теперь правильное толкование.
4. Невидимые преграды
Наблюдается отражение звуков и на открытом воздухе, — правда, гораздо реже, чем в закрытых помещениях. Это — всем знакомое эхо. Как же оно возникает?
Пусть отражающая поверхность — гора, скала, стена большого дома или опушка леса — находится от нас на расстоянии ста метров. Если крикнуть, то звук дойдёт до этой поверхности, отразится от неё и возвратится к нам. При этом он пройдёт путь в двести метров и затратит немного больше половины секунды времени. Но мы уже знаем, что два звука, следующие друг за другом с промежутком, большим 1 / 15 доли секунды, мы слышим раздельно. Поэтому, произнося короткое слово в один, два слога, можно слышать его полное повторение. Если же произносить слово более длинное, например, бар-ри-ка-да, то первые два слога успеют возвратиться к нам в тот момент, когда мы произносим последние. А так как отражённые звуки более слабые, то мы их не услышим. Спустя четверть секунды после произнесения последнего слога да придёт отражённый слог ка, а ещё через четверть секунды возвратится и слог да. В результате мы ясно услышим: -а-да.
Когда отражающих поверхностей много и находятся они на разных расстояниях, то от более удалённых поверхностей отражённые волны придут позднее, и тогда можно слышать многократное эхо. Примером такого многократного эхо служит, например, гром. При электрическом разряде в воздухе — молнии — раздаётся треск; многократное отражение его от различных поверхностей и создаёт грандиозное эхо — раскаты грома.
Мы привыкли слышать эхо у опушки леса, вблизи скал или в горах, т. е. там, где есть видимая преграда на пути звука. Но ведь эхо возникает и на равнине, и в поле, в пустыне, и на море, где для звука твёрдых преград нет. Как же объяснить такое загадочное эхо?
Оказывается, что звук может отражаться даже от воздуха! Происходит это в тех случаях, когда звуковая волна встречает на своём пути слои воздуха с другой температурой или другой скоростью. Представим себе, что она встретит более нагретый слой воздуха. Её направление тотчас же изменится, и может быть так, что в конце концов звук возвратится обратно. То же самое произойдёт и в том случае, если звук встретит слой воздуха, содержащего другое количество водяных паров, т. е. более влажного или более сухого. Такие отражающие звук «облака» не имеют ничего общего с обыкновенными облаками и туманом. Они постоянно имеются в воздухе, создавая невидимые преграды звуку. Вот почему иногда и в безоблачный день на равнине можно слышать эхо. А дождь, снег и туман при равномерном распределении в воздухе, как это ни покажется вам странным, в очень малой степени препятствуют распространению звука.
5. Слепые разведчики
Когда называют ваше имя, вы поворачиваете голову в сторону зовущего. Обычно вы легко отыскиваете направление на источник звука. Человек с нормальным слухом может определять это направление с точностью до 4 градусов. Это значит, что, находясь от источника звука на расстоянии ста метров, человек по слуху может указать путь к нему с ошибкой всего на 6–7 метров в сторону. При увеличении расстояния увеличивается и ошибка в определении. Так, если за километр идёт стрельба, то местонахождение орудия на слух может быть определено с точностью до 60–70 метров вправо или влево от истинного положения.
Направление вверх или вниз мы определяем на слух значительно хуже. Здесь, очевидно, сказывается отсутствие практики в занятиях такого рода.
Что необходимо иметь, чтобы быть способным находить по слуху источник звука?
Оказывается, надо иметь два уха! Человек, глухой на одно ухо, определяет направление с большим трудом и менее точно. В этом легко убедиться. Закройте одно ухо и оба глаза и покрутитесь немного на одном месте. После этого пусть кто-нибудь вас позовёт. Не открывая глаз, укажите рукой, откуда вас зовут, и в большинстве случаев вы грубо ошибётесь. Такая способность определять направление на источник звука названа бинауральным эффектом (бинауральный означает «двуухий»).
Это явление объясняют двумя причинами. Если источник находится справа, то правым ухом мы слышим звук более громкий, чем левым. Голова как бы загораживает левое ухо от попадания в него звуковой волны (правда, это справедливо только для высоких звуков; звуки низкие огибают голову, как всякое небольшое препятствие, и попадают в левое ухо почти не ослабленными). Поэтому в одно ухо звуков попадает больше, а в другое меньше. Одним ухом мы слышим громче, другим тише. Эта разность в громкости перерабатывается в нашем мозгу в чувство определённого направления. Мы поворачиваем голову до тех пор, пока оба уха не будут слышать одинаково громко. А это наступит тогда, когда источник звука окажется прямо перед нами.
Здесь уместно привести интересный пример того, как волны низких звуков огибают препятствия, стоящие на их пути. Достаточно свернуть с большой шумной улицы в переулок, как сразу же изменяется характер шума. Резкие пронзительные гудки, звонки, крики и лязг металла частично отразятся стенами домов, частично поглотятся ими и затухнут, а низкие звуки свободно огибают дома и проникают в узкие боковые улицы, наполняя их ровным приглушённым шумом.
Укажем и вторую причину бинаурального эффекта. Когда источник звука находится сбоку, то одно ухо к нему ближе, чем другое. Поэтому звуки приходят к обоим ушам не одновременно. Эта разность во времени прихода звука и помогает нам также определять направление на источник звука. Чем больше расстояние между ушами, тем звук позже приходит во второе ухо; тем легче и точнее можно определить направление на источник звука. По-видимому, слоны в этом отношении находятся в выигрышном положении перед человеком; их уши широко расставлены.
Оба эти объяснения не противоречат друг другу. Вероятно, определять направление на источник звука помогает нам и разная громкость, и разное время прихода звуковой волны к обоим ушам.
А как же мы отличаем звук, идущий спереди, от звука, идущего сзади? Ведь в этом случае одинаково сильный звук приходит одновременно к обоим ушам.
Понаблюдайте, как прислушивается к чему-нибудь человек. Прежде всего голова его слегка наклоняется набок и затем немного поворачивается в сторону. Этим положением достигается и разность громкости и разность во времени прихода звука к ушам, то есть как раз то условие, которое позволяет лучше определить направление.
Особенно точно определяют направление на источник звука слепые. Например, в период первой мировой войны в английскую армию привлекали слепых в качестве слухачей-разведчиков для обнаружения неприятельских самолётов и артиллерийских батарей.
Бинауральный эффект положен и в основу устройства звукоулавливателей (рис. 15). Соединённые попарно четыре рупора позволяют производить пеленгование, т. е. определение направления, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Линия пересечения этих плоскостей даёт направление на летящий самолёт.
Рис. 15. Звукоулавливатель
6. Неслышимые звуки
Если из кристалла горного хрусталя или кварца вырезать определённым образом ровную пластинку, посеребрить её противоположные грани и присоединить её к радиопередатчику, то пластинка в такт с работой прибора то утолщается, то делается тоньше. Грани пластинки совершают такое же колебательное движение, как и ветви звучащего камертона. В среде, окружающей пластинку, возникают чередующиеся разрежения и сгущения, то есть то, что мы называем звуковой волной. Применяя источники переменного тока или генераторы высокой частоты, можно заставить колебаться пластинку кварца миллионы и сотни миллионов раз в одну секунду. Ясно, что образующаяся при этом волна лежит далеко за пределами чувствительности нашего уха. Звуки такой частоты мы не слышим, это — ультразвуки.
В отличие от слышимых звуков, распространяющихся в однородной среде по всем направлениям, ультразвуки идут в виде узкого луча и могут быть посланы источником в желаемом направлении.
В жидкостях и твёрдых телах ультразвуки распространяются, почти не ослабевая с расстоянием. В воздухе их сила быстро падает.
Эти замечательные свойства ультразвуков положены в основу устройства ряда ценных приборов. Среди них широкое распространение получили так называемые ультразвуковые локаторы и дефектоскопы.
Ультразвуковой локатор состоит из излучателя ультразвука и связанного с ним сложного приёмного радиоустройства.
Через определённые промежутки времени излучатель посылает короткие ультразвуковые сигналы. Эти сигналы идут по прямой линии, пока не встретят на своём пути какого-либо препятствия. Натолкнувшись на него, они отразятся и частично возвратятся обратно к источнику, как возвращается к нам эхо. Зная скорость распространения ультразвука и время, прошедшее от момента посылки сигнала до его возвращения, легко рассчитать расстояние до предмета, отразившего ультразвук. Такие локаторы устанавливаются обыкновенно на кораблях. С их помощью определяются глубины морей и океанов, обнаруживаются мели, рифы и другие опасные для плавания места. В военное время отыскиваются неприятельские подводные лодки и мины. На рыболовецких судах локатор помогает «нащупать» косяк рыбы.
Нет больше риска плавать ночью и в тумане — прибор укажет безопасный путь. Никогда не повторится трагедия, постигшая в 1912 году один из самых больших в мире океанских пароходов «Титаник», который наскочил на плавучую ледяную гору (айсберг) и затонул так быстро, что из нескольких тысяч пассажиров и команды спаслось только несколько человек.
Немалую пользу приносят в технике изобретенные проф. Соколовым дефектоскопы, которые с помощью ультразвуков позволяют обнаруживать изъяны в металлических изделиях.
Укажем ещё на применение ультразвуков в медицине.
При ослаблении сердечной деятельности часто больному помогает камфора. Врачи в этих случаях обычно вводят раствор камфоры под кожу. Но вся беда в том, что камфора плохо растворяется и поэтому её действие задерживается. Иногда эта задержка может стать роковой для человека. Ввести камфору непосредственно в кровь нельзя: нерастворённые частицы её могут закупорить кровеносные сосуды и тогда наступит быстрая смерть. Но стоит только подвергнуть смесь воды с камфорой облучению ультразвуком, как частички камфоры будут так измельчены, что их без опасения можно вводить в вену больного.
Трудно перечислить все те области, где находят теперь применение ультразвуки. Всё чаще и чаще они используются в лабораториях и в различных отраслях производства. И если ещё недавно казалось, что в науке о звуках всё исследовано и остаётся, может быть, только уточнить некоторые закономерности, то с открытием ультразвуков перед наукой встало много новых сложных вопросов.
В заключение мы приведём один интересный пример использования ультразвуков животными.
Внимание биологов давно привлекала особенность полёта летучих мышей. Летучая мышь плохо видит. Тем не менее она быстро и свободно может летать в темноте, не наталкиваясь даже на такие малозаметные препятствия, как натянутые проволоки. Даже совершенно ослеплённая мышь сохраняет способность обходить препятствия на своём пути. Правда, не всякую преграду обнаруживает мышь; например, она может натолкнуться на голову, покрытую волосами, на мягкую мебель, шторы, драпировки и прочее. Разгадка этого своеобразного явления оказалась несколько неожиданной. Летучая мышь при полёте издаёт не только характерный хриплый звук, но ещё и ультразвук, который она порциями посылает по направлению своего движения. При этом своими широкими ушными раковинами она улавливает отражённую волну. Если отражённого сигнала нет, мышь спокойно продолжает полёт. Но вот мышь ловит отражённую волну — значит, на пути есть какое-то препятствие. Чем ближе она подлетает к нему, тем чаще посылает своих «разведчиков», меняя при этом направление полёта в поисках свободного пути.
Каким образом учёные раскрыли эту тайну летучей мыши?
Навстречу летящей мыши при помощи особого прибора посылались такие же сигналы, какие она сама посылает. Мышь принимала эти сигналы за эхо своих собственных сигналов и сворачивала в сторону, облетая несуществующие преграды!
Но почему же мышь не замечает мягких предметов и наталкивается на них? Очень просто. Эти предметы поглощают почти целиком падающие на них ультразвуки, и мышь, не получая обратно своих сигналов, принимает бархат, вату, волосы и другие мягкие предметы за пустоту.