О неслышимых звуках

С тех пор человек прилагал много усилий для того, чтобы узнать природу и свойства звуков. И вот постепенно к концу XIX века установилось мнение, что о звуке мы знаем практически все. Казалось, что в акустике можно только пояснять уже известные явления, пользуясь более совершенными приборами, с меньшей ошибкой определять величины, которые, хотя и грубо, были уже определены раньше, но открыть что-либо новое нельзя.

Это было неверно.

Наше знание окружающего мира непрерывно расширяется и углубляется, «…и если вчера, — как учит нас В. И. Ленин, — это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…» (Соч., т. 14, стр. 249).

Оказалось, что и мир звуков хранил тайны, о существовании которых не догадывался человек. В то самое время, когда ученые склонялись к мысли о том, что в акустике все выяснено, была открыта новая увлекательная страница знания, была открыта дверь в неизвестное до тех пор царство природы — царство неслышимых звуков.

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.

Сначала о звуках слышимых

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.

^{Рис. 1. Волны на поверхности воды}

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.

Состязание звуков

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.