О неслышимых звуках

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.

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.

Если же отверстие в преграде значительно больше длины волны, то излучение будет направленным: волна будет распространяться в виде луча с более или менее резко ограниченными краями, как показано на рис. I, б.

Длина волны световых лучей измеряется десятитысячными долями миллиметра. По сравнению с длиной световой волны размеры окна огромны, именно поэтому так резко ограничен световой луч.

Распространение волны, посылаемой излучателем, сходно с распространением ее из отверстия в преграде, расположенной на пути волны. Поэтому и в том случае, если окно заменить соответствующим излучателем, звуковые волны будут расходиться по-прежнему во всех направлениях.

Этим и объясняется неудача попыток применить слышимые звуки для обнаружения препятствий на пути корабля. От обычного источника звука эхо будет приходить не только от предметов, расположенных впереди корабля, но и от тех, которые находятся сбоку и даже позади.

При желании можно и звук сделать таким же направленным, как свет; для этого необходимо или увеличить размеры излучателя звука, или уменьшить длину звуковой волны, то есть увеличить ее частоту. Практически оказывается, что для получения сравнительно мало расходящегося звукового луча надо пользоваться ультразвуковыми волнами.

Уже в первых опытах с ультразвуком было замечено, что он действительно распространяется узким пучком. Причина этого для нас сейчас ясна. В самом деле, в воде ультразвук частотою 20 тысяч колебаний в секунду имеет длину волны всего 7,5 сантиметра; таким образом, вибратор диаметром 50 сантиметров будет превышать длину волны в 6,6 раза.

Излучение такого вибратора будет направленным, подобно световому лучу.

Для того чтобы сделать столь же направленными обычные слышимые звуки, потребовалось бы сконструировать источник звука размером около 10 метров! Использовать такой прибор практически невозможно. Теперь нам ясно, почему Ланжевен для обнаружения подводных лодок воспользовался именно ультразвуком, который легко направить в виде узкого лучика в выбранном направлении.

Казалось бы, задача борьбы с подводными пиратами была решена. Но это впечатление было обманчивым. На пути к осуществлению простой идеи Ланжевена и Шиловского стояло еще много трудностей. И камертоны и свистки Гальтона давали очень слабые ультразвуки, и с их помощью нельзя было обнаружить подводные лодки. Отсутствие соответствующих источников ультразвука не позволило применить его и для обнаружения айсбергов, хотя после гибели «Титаника» такие предложения высказывались.

Практика поставила перед наукой новую задачу: необходимо было создать мощный источник ультразвука.

Многие из читателей видели красивые кристаллы горного хрусталя, или, как его называют в химии, кварца (рис. 6).

Пластинка, вырезанная из кристалла кварца, обладает замечательными свойствами: при сжатии на противоположных гранях пластинки возникают разноименные электрические заряды. Такое возникновение электричества под действием давления называют пьезоэлектрическим эффектом.

Если такую пластинку растянуть, то на ее гранях также появятся электрические заряды, но знаки их будут обратны тем, которые были при сжатии.

Попеременно сжимая и растягивая пластинку, мы вызовем появление на ее противоположных гранях разноименных зарядов, знаки которых будут меняться соответственно с изменениями формы пластинки.

Этим не ограничиваются замечательные свойства кварцевой пластинки. Оказывается, что если ее противоположные грани заряжать разноименным электричеством, то в такт изменениям знаков зарядов меняется и форма пластинки: пластинка делается то толще, то тоньше.

Поместим пластинку в газ или жидкость. При утолщении пластинки грани ее, двигаясь наподобие поршня в цилиндре паровой машины, подожмут вещество, в которое она погружена. При сжатии же пластинки, наоборот, вблизи ее поверхности образуется разрежение. Повторяющиеся изменения формы пластинки вызовут в окружающем ее веществе возникновение чередующихся сжатий и разрежений. Сжатия и разрежения, распространяясь в пространстве, и создадут волну. Пластинка явится источником волн — излучателем (рис. 7).

Изменения формы пластинки можно производить с любой частотой, для этого достаточно с соответствующей скоростью изменять знаки электрических зарядов на ее гранях.

Известный советский физик Сергей Яковлевич Соколов заставил кварцевую пластинку совершать миллиарды колебаний в секунду, однако и это не является пределом.

Надо помнить, что изменение размеров кварцевой пластинки очень невелико. Если к кварцевой пластинке, подвести электрическое напряжение, скажем, в 1000 вольт, то толщина пластинки увеличится или уменьшится лишь на 2 десятимиллионные части сантиметра; это расстояние ничтожно мало, на нем могло бы уложиться всего 10–15 атомов.

Но можно увеличить размах колебаний пластинки.

Проделаем такой опыт: привязав к нитке небольшую гирьку, заставим ее совершать колебания. По секундной стрелке часов заметим тот момент, когда гиря пройдет через положение равновесия, и, отсчитав 20 качаний, узнаем, сколько для этого требуется времени. Затем, толкнув гирю посильнее, увеличим размах ее колебаний. Окажется, что и при большем размахе для 20 колебаний потребуется ровно столько же времени. В нашем опыте гирька совершала свободные колебания, и мы убедились, что частота свободных, или, как говорят, собственных, колебаний тела не зависит от размаха, или, что то же, от амплитуды колебаний.

Но от чего же зависит частота собственных колебаний?

Достаточно укоротить или удлинить нить, на которой висит гиря, как частота собственных колебаний гирьки изменится. Чем короче подвес, тем больше будет частота колебаний.

Каждое колеблющееся тело обладает характерной для него частотой собственных колебаний. Так, например, если толкнуть качели, они начнут раскачиваться с совершенно определенной частотой. Подталкивая их, можно увеличить размах качаний. Чтобы сделать размах качаний особенно большим, надо, как вы знаете, подталкивать качели «в такт» их колебаниям, то есть с той частотой, с которой они совершают колебания, будучи предоставлены самим себе. Эту частоту называют резонансной частотой. Всякое колеблющееся тело имеет свою собственную резонансную частоту. В тех случаях, когда вызывающая колебания сила изменяется с резонансной частотой, размах совершаемых телом колебаний делается особенно большим. История знает случай, когда небольшой отряд солдат, проходя по мосту и четко отбивая шаг, случайно попал в резонанс с колебаниями моста, В результате резонанса колебания моста настолько возросли, что мост разрушился.

Если смену электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки производить с резонансной частотой, то при том же самом электрическом напряжении размах колебаний возрастет и мощность ультразвука увеличится.

Каждая пластинка имеет свою собственную резонансную частоту.

Чем тоньше пластинка, тем выше ее резонансная частота. У пластинки толщиной в 1 миллиметр она составляет 2,88 миллиона колебаний в секунду, а при толщине 0,5 миллиметра — 5,76 миллиона колебаний в секунду. Можно изготовить пластинку тоньше папиросной бумаги. Резонансная частота такой пластинки будет очень велика, но столь тонкие пластинки очень непрочны, и их редко употребляют.

Итак, мы видим, что для получения ультразвука исключительно большое значение имеют пластинки, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Поэтому посвятим несколько слов тем материалам, из которых они изготовляются.

Кварц является одним из самых распространенных минералов. Обычный песок состоит из маленьких крупинок кварца. Часто встречается кварц и в булыжнике, которым до сих пор еще мостят дороги. Если песок нагреть до очень высокой температуры, то он сплавится, образуя прозрачное кварцевое стекло, которое широко применяется в химических лабораториях.

Казалось бы, недостатка в материале для постройки излучателей ультразвука нет.

На самом деле это не так.

Кварцевое стекло пьезоэлектрическими свойствами не обладает и потому не может быть использовано для устройства излучателей ультразвуковых волн.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только кристаллы кварца; но крупные кристаллы этого минерала встречаются очень редко, и пластинки с большой поверхностью поэтому дороги.

Замечательным достижением науки является разработанный недавно способ искусственного выращивания больших кристаллов кварца. Выяснилось, что их можно выращивать так же, как выращивают кристаллы поваренной соли, квасцов и других растворимых в воде веществ.

На первый взгляд может показаться странным, каким образом из такого стойкого, нерастворимого в воде материала, как песок или булыжник, выращивают красивые кристаллы горного хрусталя — кварца. Конечно, при обычных условиях это сделать невозможно.

Для этого в специальный толстостенный сосуд, наполненный водным раствором некоторых химических веществ, подвешивают на нити палочку из кварцевого стекла, а ниже помещают маленький кристаллик кварца (рис. 8). Сосуд закрывается, и температура в нем поднимается несколько выше 350° C; при этом давление в сосуде сильно возрастает.

При таких условиях палочка из кварцевого стекла растворяется в воде, а молекулы кварца, перешедшие в раствор, вновь выделяются на кристаллике, увеличивая его размеры. Часть растворенного кварца оседает на стенках сосуда, покрывая их слоем маленьких кристалликов. Примерно за 18 часов палочка успевает полностью раствориться. После этого сосуд открывают и подвешивают туда новую палочку. Повторяя подобную операцию 4–5 раз, удается вырастить кристалл размером в несколько сантиметров; такие кристаллы уже пригодны для изготовления пьезоэлектрического излучателя.

Дальнейшее усовершенствование этого способа позволит изготовлять кварцевые пластинки еще бóльших размеров.

Для устройства излучателя ультразвука могут применяться также кристаллы сегнетовой соли, фосфата аммония и некоторых других веществ.

Кроме того, недавно советские физики получили новые вещества, так называемые титанаты, обладающие огромным пьезоэлектрическим эффектом. Особенно большие перспективы имеет использование для получения ультразвука титаната бария. Титанат бария не обладает от природы пьезоэлектрическими свойствами, но ему их можно придать, так же как сталь, не являющуюся естественным магнитом, можно намагнитить и приготовить из нее искусственный магнит.

Поскольку пьезоэлектрические свойства титаната бария создаются искусственно, мы можем приготовить излучатель любой формы и заставить его совершать необходимые нам колебания.

Например, из титаната бария можно изготовить трубу и добиться того, чтобы ультразвуковые волны, излучаемые стенками этой трубы, направлялись внутрь нее.

Таким образом, заставив стенки трубы колебаться, мы подвергнем протекающую по ней жидкость действию мощных ультразвуковых волн.

На рис. 9 изображен излучатель из титаната бария в форме цилиндра. Острие, которым снабжен с одного конца цилиндр, концентрирует ультразвуковые колебания, делая их очень интенсивными. Смещение острия этого вибратора во время колебаний составляет уже около 5 тысячных долей миллиметра.

В то время когда Ланжевен конструировал свой прибор, выращивать искусственные кристаллы кварца еще не умели. Не знали и об удивительных свойствах титаната бария. Приходилось довольствоваться небольшими кристаллами кварца, которые встречались в природе.

Стремясь получить резко ограниченный ультразвуковой луч, который легко направлять, Ланжевен наклеил на стальной лист целую мозаику из небольших кварцевых пластинок, а сверху положил второй стальной лист, получив излучатель, изображенный на рис. 10. Теперь для того, чтобы получить мощный ультразвуковой луч, осталось только подвести к пластинкам разноименные электрические заряды, знаки которых непрерывно менялись бы.

Автоматическое изменение знаков зарядов на поверхностях кварцевой пластинки в наше время достигается тем, что ее присоединяют к ламповому генератору, такому же, как генераторы, используемые при радиопередаче.

Схема простого пьезоэлектрического генератора изображена на рис. 11.

Если нужно получить ультразвук с частотой от 500 тысяч до одного миллиона колебаний в секунду, то катушку АС надо изготовить диаметром приблизительно 80 миллиметров и намотать медной проволокой с поперечником 2–3 миллиметра. Между точками А и В наматывают 3 витка, а между точками В и С — 6 витков. Расстояние между витками приблизительно 4 миллиметра. Кварцевая пластинка 6 располагается на металлическом основании, которое соединяется с клеммой K₁; сверху пластинка покрывается тонкой алюминиевой фольгой, которая прижимается к пластинке легкой пружинкой. Пружинку соединяют с клеммой K₂. Необходимо следить за тем, чтобы пружинка не соприкасалась с основанием.

Высокое электрическое напряжение, которое подводится к граням пластинки, иногда вызывает электрический разряд в форме искры, бегущей по краю пластинки. Для того чтобы избежать возникновения искры, пластинку обычно помещают в жидкость с высокими изоляционными свойствами, например в трансформаторное масло.

При мощных колебаниях кварцевой пластинки над поверхностью масла образуется фонтан, как на рис. I, в.

Если же необходимо получить особенно мощный ультразвук, кварцевой пластинке придают форму вогнутого зеркала. Вогнутый излучатель собирает в одну точку, концентрирует звуковую энергию, и в небольшом пространстве удается получить такие мощности, которые трудно себе даже представить (рис. I, г).

Если силу паровозного гудка принять для сравнения за единицу, то сила ультразвука в той точке, в которой он концентрируется вогнутой кварцевой пластинкой, будет выражаться единицей с девятью нулями, то есть превышать силу паровозного гудка в миллиард раз.

Изменения давления в этой точке составят 120 атмосфер. Однако изготовление подобных излучателей весьма сложно и стоимость их высока.

В приборе Ланжевена вращающийся с постоянной скоростью моторчик подключал через определенные промежутки времени к вибратору высокое электрическое напряжение и заставлял прибор посылать в океан короткий ультразвуковой сигнал.

Теперь оставалось только научиться обнаруживать слабые ультразвуковые эхо-сигналы, которые вернутся, отразившись от какого-либо препятствия.

Талантливый русский физик Петр Николаевич Лебедев использовал для обнаружения неслышимых звуков их способность оказывать давление на предметы, которые встречаются на пути ультразвуковых волн. Это давление очень мало, и для измерения его пользуются специальным чувствительным прибором — ультразвуковым радиометром (рис. 12).

Ультразвуковой радиометр устроен следующим образом: к тончайшей проволочке припаивается перекладинка, несущая с одной стороны легкое слюдяное крылышко. Проволочка натягивается вертикально. Падающая на крылышко ультразвуковая волна оказывает на него давление. Крылышко отклоняется, и проволочка слегка закручивается. Чем сильнее звук, тем больше давление и тем на больший угол отклоняется крылышко.

Для того чтобы следить за поворотом крылышка, к проволочке в том месте, где припаяна перекладина, прикрепляется маленькое зеркало. Если отбросить с помощью этого зеркальца световой зайчик, то самые незначительные повороты крылышка будут вызывать заметные перемещения зайчика. Следя за движениями зайчика, можно по появлению смещения обнаружить ультразвук, а по величине смещения определить его мощность.

Чтобы оградить радиометр от влияния не видимых глазу потоков, которые всегда существуют в воздухе, его помещают в специальную камеру. Ультразвуковые колебания проходят в эту камеру через окошко, заклеенное тончайшей папиросной бумагой.

Хотя радиометром и сейчас пользуются в лабораторных исследованиях, однако для практического применения, которое интересовало Ланжевена, а именно для регистрации ультразвуковых эхо-сигналов, свидетельствующих об обнаружении подводных лодок, радиометр, очень чувствительный к любому сотрясению, не годился, и Ланжевен использовал для этой цели тот же самый излучатель, который посылал на разведку ультразвуковой луч.

Послав сигнал, излучатель автоматически переключался на прием и «слушал», не придет ли эхо. Упавшая на кварцевый вибратор ультразвуковая волна вызывала появление на нем электрических зарядов, которые после усиления с помощью специального прибора могли быть обнаружены. Подобный пьезоэлектрический приемник ультразвука отличается высокой чувствительностью (рис. 13).

Так, настойчивость ученых преодолела многочисленные препятствия. В результате напряженной работы прибор, предназначенный для обнаружения подводных лодок, так называемый ультразвуковой гидролокатор, был создан.

Нужно сказать, что современные ультразвуковые гидролокаторы сильно отличаются от прибора, построенного Ланжевеном; в них в качестве источника ультразвука используются обычно не пьезоэлектрические генераторы, а магнитострикционные. Что же это за генераторы?

Трансформатор является одним из очень распространенных электрических приборов. Простейший трансформатор представляет собой две катушки изолированной проволоки, надетые на общий железный сердечник.

Если по обмотке трансформатора течет переменный ток сравнительно большой силы, то можно часто слышать звук низкого тона, идущий от сердечника трансформатора.

Гудение трансформатора объясняется тем, что некоторые металлы, а также и сплавы обладают способностью при намагничивании изменять свои размеры.

Особенно сильно это свойство, называемое магнитострикцией, проявляется у железа, никеля и у их сплавов. Исключительно велик магнитострикционный эффект у сплава «пермендюр», состоящего из 49 процентов железа, 49 процентов кобальта и 2 процентов ванадия.

Приготовив пакет пластин из магнитострикционного материала со специальными прорезами, служащими для размещения обмотки из изолированной проволоки, и пропустив по проволоке переменный ток, сила которого периодически то возрастает, то убывает, мы заставим пакет попеременно намагничиваться и размагничиваться. Размеры пакета будут при этом периодически изменяться (рис. 14).

При изменении размеров пакета, так же как при колебании кварцевой пластинки, в окружающем воздухе образуются попеременные сжатия и разрежения — возникает звуковая волна. Если частота переменного тока невелика, звук будет слышимым, как это имеет место при гудении трансформаторов. Увеличивая частоту переменного тока, получим ультразвуки. Именно так они и получаются в магнитострикционных генераторах.

Можно заставить совершать магнитострикционные колебания и полый стержень, поместив его в катушку из изолированной проволоки, по которой протекает переменный ток.

Для увеличения размаха колебаний магнитострикционный излучатель, так же как и кварцевую пластинку, заставляют изменять размеры с резонансной частотой.

Резонансная частота колебаний стержня зависит от его длины. Чем короче стержень, тем выше его резонансная частота.

Пропустив конец стержня через пробку, вставленную в дно сосуда, наполненного жидкостью, можно получить в ней ультразвуковую волну высокой частоты (рис. 15).

При мощных магнитострикционных колебаниях стержень так быстро нагревается, что его приходится специально охлаждать. Мощный магнитострикционный вибратор изображен на рис. 16. Диаметр подобного вибратора составляет приблизительно полметра.

Магнитострикционные и пьезоэлектрические генераторы ультразвука взаимно дополняют друг друга. Как первые, так и вторые являются источниками ультразвука, частота которого в подавляющем большинстве случаев совпадает с резонансной частотой излучателя, в первом случае — металлического стержня, во втором — кварцевой пластинки.

Изготовить магнитострикционный генератор с очень коротким стерженьком трудно. А так как резонансная частота длинных стерженьков сравнительно невелика, магнитострикционные генераторы используются для получения ультразвука малой частоты, приближающейся к частотам слышимых звуков. Наоборот, пьезоэлектрические генераторы дают возможность получать высокочастотные ультразвуковые волны. Кроме того, пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы сильно различаются конструктивно. Поэтому используются оба вида генераторов. В одних случаях более удобен магнитострикционный, в других — пьезоэлектрический.

С помощью гидролокатора можно не только обнаружить подводную лодку, мель или айсберг, но и точно определить их местоположение.

Для целей гидролокации пользуются ультразвуком с частотой в среднем от 15 до 30 тысяч колебаний в секунду.

Продолжительность каждого отдельного сигнала приблизительно 0,1 секунды.

Момент посылки сигнала отмечается на экране особого аппарата, называемого осциллографом (рис. 17), появлением пилообразного изгиба светящегося лучика.

Сигнал послан. Специальное реле (рис. 18) подключает излучатель к приемному устройству, и гидролокатор в течение некоторого времени ждет прихода отраженного сигнала.

Если эхо-сигнал приходит, то особый прибор сначала усиливает его, затем превращает неслышимые ультразвуковые сигналы в обычные звуки, которые прослушиваются с помощью репродуктора.

Одновременно принятые сигналы подаются также на осциллограф, на экране которого появляется второй пилообразный изгиб луча.

Чем больше промежуток времени между посылкой и приемом сигнала, тем дальше будут отстоять друг от друга изгибы луча на экране осциллографа. Поместив на экране прозрачную линейку с нанесенным на нее масштабом, можно, взглянув на прибор, сразу узнать расстояние до препятствия, отразившего сигнал.

Излучатель обычно помещается в специальный кожух и устанавливается под днищем корабля. Вращаясь, излучатель как бы «осматривает горизонт» (рис. 19).

Наблюдение за отраженным сигналом с помощью осциллографа позволяет определить, на каком расстоянии от излучателя находится предмет, обнаруженный гидролокатором.

Однако когда корабль движется и расстояние между наблюдателем и обнаруженным препятствием непрерывно изменяется, по виду возникающего на экране эхо-сигнала бывает невозможно определить, что же именно является причиной его появления. Это может быть или подводная лодка, или морская скала, а в некоторых случаях и большая рыба.

Ответить на этот важный вопрос часто помогает прослушивание отраженного сигнала, превращенного в слышимый звук.

Опытный наблюдатель по звуку отраженного сигнала может сделать много ценных заключений. Так, например, он может определить, движется ли отразившее сигнал препятствие, или оно неподвижно, а если движется, то приближается или удаляется. Узнать это помогают наблюдателю изменения тона звука.

Все вы, наверное, замечали, что тон паровозного свистка кажется выше, когда паровоз приближается к нам, и ниже, когда паровоз удаляется.

Объясняется это очень просто. Предположим, что в тот момент, когда машинист включил свисток, паровоз отделяют от наблюдателя 332 метра. Как мы уже знаем, звук свистка представляет собою чередующиеся сжатия и разрежения воздуха. Именно они, попадая в ухо, и вызывают ощущение звука.

Тон звука определяется числом сжатий или разрежений воздуха за одну секунду.

Пусть свисток создает двести сжатий в секунду. Если паровоз и наблюдатель неподвижны, то сжатия следуют одно за другим через каждую двухсотую часть секунды и вызывают у человека ощущение звука определенного тона.

Если же паровоз приближается к наблюдателю, положение изменяется. Первому сжатию, чтобы дойти до наблюдателя, потребуется одна секунда, а следующему — уже меньший промежуток времени, поскольку за истекшее время паровоз приблизится к наблюдателю. Это будет справедливо и для последующих сжатий, благодаря чему за секунду к наблюдателю придет более двухсот сжатий, то есть частота колебаний увеличится и тон звука повысится.

Если паровоз будет удаляться, то второму сжатию придется пройти больший путь, чем первому, и промежуток времени, разделяющий их, увеличится. За одну секунду в ухо наблюдателя поступит меньше 200 сжатий — тон звука понизится.

Чем быстрее движется паровоз, тем заметнее изменение тона, происходящее в тот момент, когда приближающийся источник звука проходит мимо нас и начинает удаляться.

Именно такое изменение тона эхо-сигнала позволяет гидроакустику определить характер движения предмета, отразившего посланный сигнал. Следя за тем, как сначала нарастает, а потом замирает отраженный сигнал, опытный наблюдатель может составить себе представление о характере обнаруженного в море препятствия.

Дальность действия гидролокатора колеблется от нескольких сотен метров до нескольких километров, в зависимости от условий, которые существуют в воде в момент наблюдения. Основное значение при этом имеет разница температур различных слоев воды, вызывающая искривление пути звукового луча. Ультразвуковой сигнал распространяется в этих условиях не прямолинейно, а по кривой, отклоняясь в сторону более холодных слоев. Мешают также и мельчайшие воздушные пузырьки, выделяемые бесчисленными микроорганизмами, живущими в морской воде. Слои воды, насыщенные воздушными пузырьками, сильно поглощают звук, а в некоторых случаях и отражают звуковой сигнал.

Приборы, сходные с гидролокатором, могут применяться для установления подводной связи, например, между двумя погруженными подводными лодками.

С помощью ультразвука можно передавать сигналы и в воздухе. Правда, в этом случае дальность передачи сильно снижается из-за быстрого затухания ультразвука.

Было предложено использовать ультразвуковые локаторы для ориентировки при движении транспорта в тумане, однако широкого распространения эти приборы пока не получили. Ультразвуковое локирование[1] в воздухе было успешно применено в горном деле для контроля вертикальности шахтных стволов. Ультразвуковой локатор устанавливается в шахтной клети и при ее движении автоматически регистрирует профиль шахтного ствола. Средняя ошибка при контроле вертикальности ствола с помощью ультразвука составляет около 14 миллиметров.

В одной из арабских сказок описывается волшебная дверь, которая открывалась только в ответ на слова: «Сезам, откройся!» С помощью ультразвука можно делать еще более удивительные вещи. Например, можно устроить так, чтобы двери гаража открывались сами собой при приближении автомобиля.

Для этого на автомобиле устанавливается ультразвуковой излучатель, посылающий при приближении к гаражу неслышимый сигнал. Этот сигнал воспринимается специальным аппаратом, который включает механизм, открывающий двери. При приближении любого другого автомобиля, не имеющего ультразвукового сигнализатора, двери останутся закрытыми.

Ультразвуковой аппарат, если потребуется, может зорко охранять помещение и в этом отношении имеет определенные преимущества по сравнению со всеми другими аппаратами, предназначенными для той же цели. В охраняемом с помощью ультразвука помещении можно обнаружить любое возникшее в нем движение. Для этого помещение наполняется ультразвуковыми волнами, распространяющимися во всех направлениях и многократно отражающимися от различных предметов, находящихся в помещении. Если в помещении отсутствует движение, то все возникающие эхо-сигналы имеют одну и ту же частоту колебаний. Не то будет, если в комнате появится движущийся предмет. Эхо, возникшее при отражении от движущегося предмета, будет по частоте отличаться от остальных эхо-сигналов. Специальный высокочувствительный приемник эхо-сигналов, установленный в той же комнате, сейчас же реагирует на возникновение колебаний иной частоты включением сигнализации, оповещающей о наличии в комнате движения. Один из американских журналов поместил следующее сообщение. Большой ювелирный магазин был ограблен, несмотря на наличие обычной электросигнализации. Грабители проникли в магазин не через окна или двери, где были установлены сигнальные аппараты, а разобрав кирпичную стену магазина. После этого владелец магазина установил ультразвуковую сигнализацию, и спустя несколько месяцев ультразвук помог задержать грабителей, опять проникших в магазин, теперь уже через потолок. Преступники возражали против задержания, утверждая, что оно сделано «не честно», так как они приняли все меры против обычной сигнализации, которая и бездействовала, а об ультразвуках они, мол, ничего не слыхали.

В настоящее время ультразвуковая сигнализация позволяет охранять большие помещения, объемом больше тысячи кубических метров. Ультразвуковой сигнализацией можно воспользоваться на некоторых заводах, чтобы избежать попадания людей в зону, почему-либо опасную для жизни, или такую, где находиться запрещено.

Описанные ультразвуковые сигнализаторы автоматически оповещают о возникновении пожара. Восходящий от пламени подвижный столб теплого воздуха прекрасно отражает ультразвуковые волны, создавая эхо-сигналы с частотой, отличной от частоты основных сигналов. В Америке на предприятиях, где была установлена ультразвуковая сигнализация, уже зарегистрировано несколько случаев предупреждения пожаров.

Однако тем, что мы рассказали, далеко не исчерпываются возможности, открывшиеся перед человеком после того, как он узнал свойства ультразвуков. В результате использования особенностей неслышимых звуков становятся реальностью самые смелые мечты.

Читатель, наверное, помнит, сколько хлопот доставила героям известной сказки «Конек-Горбунок» необходимость извлечь со дна моря сундучок с перстнем царь-девицы. Самое трудное было найти его. Если бы не ерш, так бы и оставаться сундучку на дне морском.

В наше время легко можно было бы отыскать пропажу с помощью ультразвука.

Автоматический прибор, называемый ультразвуковым эхолотом, позволяет не только измерить глубину океана и исследовать рельеф морского дна, но и обнаружить там какой-либо предмет.

Эхолот очень похож на гидролокатор.

Ультразвуковой магнитострикционный вибратор 4 (рис. 20), укрепленный в корпусе корабля, через определенные промежутки времени, обычно один раз в секунду, посылает короткий сигнал, который автоматически регистрируется на специальной ленте. В эхолоте все операции автоматизированы. Когда ультразвук, достигнув морского дна и отразившись, приходит обратно, эхо-сигнал принимается магнитострикционным приемником 3, проходит через усилитель 2 и регистрируется на ленте. Таким образом, на движущейся ленте возникают две линии: одна — О — соответствует излучениям сигналов, то есть дну корабля, вторая — Д — приходу эхо-сигнала, то есть дну моря. Чем больше расстояние между этими линиями, тем больше глубина моря в той точке, в которой производилось измерение. Нанеся на ленту специальный масштаб, можно отсчитывать глубину моря в метрах. Такая запись глубин называется батиграммой.

Современные эхолоты устроены так, что на специальной шкале в той ее точке, которая соответствует глубине моря под кораблем, зажигается неоновая лампочка. Взглянув на эту шкалу, штурман всегда может узнать, какова глубина моря в том месте, где находится корабль. Эхолот не только предупреждает о наличии скал и мелей, но и позволяет определить местонахождение корабля. В настоящее время составлены очень подробные карты морских глубин. Пользуясь подобной картой и батиграммой, можно определить положение корабля даже тогда, когда сделать это другим способом почему-либо невозможно.

С помощью эхолота было найдено одно из самых глубоких мест в море — морская пучина в Тихом океане глубиной 10 860 метров.

Преимуществом ультразвуковых эхолотов является то, что ими можно производить измерения почти при любой погоде, не уменьшая скорости корабля, и измерять как очень большие, так и совсем малые глубины.

Точность, с какою эхолот определяет рельеф морского дна, настолько велика, что с его помощью можно отыскивать затонувшие корабли. На рис. 21 изображен записанный с помощью эхолота контур затонувшего на глубине 100 метров корабля «Лузитания».

Большое хозяйственное значение имеет применение эхолотов в рыбном промысле.

Наполненные воздухом плавательные пузыри рыб хорошо отражают ультразвуковые сигналы, а это дает возможность, пользуясь эхолотом, обнаруживать косяки рыб. На рис. 22 изображена лента эхолота, на которой записан обнаруженный косяк сельди. Верхняя граница 1 соответствует поверхности моря. Нижняя зигзагообразная линия 2 соответствует морскому дну. Записанная эхолотом линия 3, расположенная между дном и поверхностью моря, возникла в результате отражения ультразвука от косяка сельди. Подобная запись позволяет сделать заключение не только о расположении косяка, но и о его размерах.

Используя ультразвук для отыскания рыбных косяков, удается значительно увеличить улов, одновременно сократив продолжительность рыболовной экспедиции.

Несомненно, что в ближайшем будущем эхолот будет еще шире применяться в рыбном промысле.

В гидролокаторах и эхолотах ультразвук обнаруживается по тому действию, которое он оказывает на специальный приемник.

В настоящее время разработано несколько способов, с помощью которых можно сделать ультразвуковые волны еще и видимыми, что дает возможность следить за ходом ультразвукового луча.

В жаркий летний день можно наблюдать поднимающиеся над шоссейной дорогой струйки воздуха, нагревшегося от поверхности земли. Струйки сделались видимыми благодаря расширению воздуха при нагревании, которое привело к уменьшению его плотности, а последнее — к изменению оптических свойств, к уменьшению коэффициента преломления. По той же причине были бы видимы струйки сжатого воздуха, плотность которого больше, чем плотность окружающего воздуха.

Такие же явления наблюдаются и в жидкостях. Налейте в стакан теплой воды и, расположив позади стакана книгу, добавьте осторожно холодной и, следовательно, более плотной воды. Сейчас же возникнут струйки с иными оптическими свойствами. Наличие этих струек приведет к тому, что буквы на странице, рассматриваемой через стакан с водой, покажутся нам колеблющимися, расплывающимися.

Если осветить стакан свечой, то на теневом изображении эти струйки будут ясно различимы.

При распространении звуковой волны происходят, как мы знаем, попеременные сжатия и разряжения воздуха, то есть изменения, аналогичные тем, о которых мы говорили в предыдущем опыте. Следовательно, теневое изображение звуковой волны можно получить так же, как изображение водяных струй, температура которых различна. При этом надо только помнить, что в проходящей звуковой волне сжатия и разрежения чередуются чрезвычайно быстро. Если мы хотим получить изображение волны, то должны осветить ее в течение очень короткого промежутка времени, пока распределение давления не успело значительно измениться. Практически для получения изображения звуковых волн пользуются прерывистым светом, который вспыхивает с той же частотой, с какой колеблется кварцевая пластинка. Вспышки света совпадают при этом с одним и тем же положением колеблющейся пластинки, так что изображение звуковой волны на экране как бы «застывает» и получается четким.

Заменив экран фотографической пластинкой, звуковую волну можно сфотографировать.

Эти особенности волн позволили советским ученым С. Н. Ржевкину и С. И. Кречмеру применить ультразвуки для изучения на моделях акустических свойств различных построек: концертных залов, аудиторий и т. п.

На рис. 23 изображено распространение волны, на пути которой расположена колонна. Хорошо видна «акустическая тень»— темное место за колонной. В зоне акустической тени звук будет ослаблен. Таким методом можно решать самые различные задачи архитектурной акустики.

Изучая на небольшой модели акустические свойства проектируемого концертного зала или театра, нельзя пользоваться обычными звуковыми волнами. Поведение волны, проходящей через отверстие в преграде или встречающей на своем пути препятствие, как мы уже знаем, определяется соотношением между длиною волны и размерами отверстия или препятствия. Поэтому при моделировании необходимо уменьшить длину волны звука пропорционально уменьшению размеров сооружения. Применяя ультразвуковые волны, длина которых очень мала, можно делать и модели небольших размеров.

Но как же получить прерывистое освещение такой большой частоты, которая соответствовала бы частоте ультразвуковых волн?

Если изменение яркости света должно происходить не слишком быстро, то можно воспользоваться обычной электрической лампочкой, изменяя напряжение питающего тока. Там же, где яркость света должна меняться очень быстро, способ этот непригоден, так как за короткий промежуток времени раскаленная нить лампочки не будет успевать охлаждаться и яркость света будет оставаться практически постоянной.

Для электрического освещения обычно пользуются переменным током, напряжение которого 100 раз в секунду уменьшается до нуля, и все же никаких изменений в яркости света при этом не наблюдается. Даже за этот большой по сравнению с продолжительностью ультразвуковых колебаний промежуток времени нить не успевает охладиться.

Необходимость быстро изменять, или, как говорят, модулировать, силу света часто возникает в технике: при записи звука, в телевидении, при изучении работы быстродвижущихся частей машин и т. д.

Решить эту важную задачу можно опять-таки с помощью ультразвука.

Для быстрых изменений яркости света можно воспользоваться изменением оптических свойств вещества при распространении ультразвука. На рис. 24 изображена одна из возможных схем ультразвукового модулирования света. Световые лучи, расходящиеся от источника света Л, линзой О₁ превращаются в параллельный пучок лучей, который, пройдя через стеклянную ванночку K, собирается линзой О₂ в фокусе Ф. Экран Э преграждает лучам дальнейший путь. Ванночка K наполнена прозрачной жидкостью, в которой находится пьезоэлектрическая пластинка. Если заставить пластинку совершать колебания и создать в жидкости ультразвуковую волну, то жидкость сделается оптически неоднородной. Оптическая неоднородность жидкости заставит световые лучи изменить свой путь. Некоторая часть лучей уже не соберется в фокусе Ф и не будет поэтому задержана экраном. Чем больше будет интенсивность ультразвука, тем больше лучей минует экран. Интенсивность ультразвука в свою очередь зависит от электрического напряжения, которое подводится к пьезоэлектрическому излучателю. Изменяя электрическое напряжение, можно менять интенсивность ультразвуковых колебаний и, следовательно, модулировать яркость освещения за экраном.

Недавно модулирование света с помощью ультразвука использовали в сигнализаторе для передачи секретных донесений. Изменения силы света, вызываемые ультразвуковыми колебаниями, посылались наблюдателю, вооруженному телескопом. В телескопе световые лучи падали на фотоэлемент, превращавший их в электрический ток. Чем больше была сила света, тем сильнее был ток. Изменения в силе тока позволяли расшифровать принятый сигнал. Днем сигналы можно было передавать километра на три, а ночью — почти на пять.

С помощью ультразвука можно получить очень мощный луч света переменной силы, изменяющийся почти с любой частотой.

Заставив такой луч бежать по экрану, прочерчивая строку за строкой, можно получить телевизионное изображение.

Видимые изображения отраженных от препятствия и прошедших через него ультразвуковых волн позволяют по их интенсивности сделать заключение о поглощении звука разными материалами.

Как показал опыт, изучение различных волновых процессов на моделях позволяет детально разобраться в происходящих при этом явлениях.

Фотографируя наблюдаемую картину и рассматривая полученные фотографии, мы ясно различаем идущую от источника волну, ее встречу с препятствием, возникновение отраженной волны, взаимодействие последней с падающей волной и т. д. Эти особенности ультразвука имеют большое значение для преподавания физики в школе. Таким способом можно показать учащимся законы распространения звуковых и ультразвуковых волн, сделать преподавание более наглядным и убедительным. Добиться этого, не прибегая к неслышимым звукам, трудно, а иногда и вообще невозможно.