Юный техник, 2004 № 08

Принято считать, что человеческое ухо воспринимает колебания с частотой от 20 до 20 000 Гц. Но эти границы индивидуальны. Тем не менее звуки с частотой выше 20 кГц называются ультразвуками. Некоторые животные, например собаки и кошки, слышат ультразвуки вплоть до 40 кГц. Частотный диапазон речи примерно от 200 до 3500 Гц. Нижняя граница частотного диапазона певцов и певиц 80 Гц, верхняя — 2300 Гц.

Частотный диапазон музыкальных инструментов гораздо шире. Например, у органа он лежит в пределах от 20 до 16 000 Гц. Как показывают приборы, многие музыкальные инструменты помимо звуков создают также и ультразвуки.

Но вот что удивительно. Звуки с частотой 25–40 кГц не услышит человек с самым тонким музыкальным слухом. Однако при демонстрации записи музыки, у которой искусственно срезаны частоты выше 20 кГц, он явственно ощущает неестественность ее звучания. Именно потому в мире производят акустическую аппаратуру запредельного качества, сравнимую по цене с хорошим автомобилем. В ней применяют радиолампы, трансформаторы, намотанные серебряной проволокой, а корпуса наушников изготавливают из сакуры — японской вишни.

Но вернемся к теме статьи. Можно ли увидеть звук?

Вот простой способ. Обрежьте воздушный шарик и натяните на кастрюлю (рис. 2).

Получится упругая мембрана. Далее сделайте «барабанные палочки», надев на стержни от авторучек, допустим, кусочки ластика.

Насыпьте на мембрану мелкий песок, соль или манную крупу и ударьте палочкой по кастрюле. Песок на пленке начнет подпрыгивать и скатываться к краям. В этом опыте возникшие колебания успевают заявить о своем существовании тем, что сбрасывают песок к краям мембраны.

Казалось бы, факт ничем не примечательный. Однако в цехах заводов можно увидеть любопытную картину. По наклонному желобу ползут мелкие детали… снизу вверх. Приглядевшись, вы увидите, что желоб колеблется. Тот же эффект, который отбрасывает песок к краям кастрюли, заставляет подниматься детали по желобу.

Совсем иную картину нам покажет звук камертона на поверхности воды в малом сосуде, например, миске.

Налейте в миску воды и коснитесь ее поверхности ножкой звучащего камертона. На поверхности воды появится рябь. Ее гребни и впадины находятся в движении, колеблются то вверх, то вниз. Но есть и места, где уровень воды не меняется. Картина волн в целом стоит на месте. Такие волны называют стоячими. Они образуются от сложения волн, посылаемых ножкой камертона, с волнами, отразившимися от стенок миски.

Картину стоячих волн можно наблюдать и в хрустальном бокале, наполненном водой. Проведите по его краю мокрым пальцем, так чтоб он начал «петь». При определенной силе звука на поверхности воды возникнут стоячие волны, движущиеся от стенок, создавая в центре маленький бугорок.

Тот же опыт можно проделать даже с массивной кастрюлей из нержавеющей стали. Звук получится тоном ниже, а бугорок в центре временами будет напоминать фонтанчик.

Этим воспользовались древние китайцы, создав «магический таз». Отлитый из бронзы, он имел две ручки. Если их умело потереть, то в центре таза начинал бить фонтан высотою до трех метров. Сегодня подобные «магические тазы» шарлатаны применяют для предсказания судеб, хотя фонтанчик в центре таза — это обычное физическое явление, основанное на резонансе и интерференции волн.

В металлах звуковые волны распространяются со скоростью 3–5 км/с, их удается запечатлеть методом скоростной киносъемки, но для этого нужна дорогая и сложная аппаратура. Однако, распространяясь в твердых телах, они отражаются от их границ и, взаимодействуя друг с другом, образуют систему стоячих волн, которые тоже можно наблюдать.

Впервые это сделал немецкий физик Хладни в начале XIX века. Для этого он собрал прибор, представляющий собой бронзовую прямоугольную пластину, прикрепленную в центре при помощи винта к деревянной стойке (рис. 3).

Прибор служил украшением аристократических салонов и физических кабинетов. Пластину посыпали мелким песком, а затем, придерживая рукой, проводили по ее краю смычком скрипки.

Пластина начинала дрожать, издавая протяжный звук, и песчинки на ее поверхности выстраивались в замысловатые фигуры. По своей сути это картина стоячих звуковых волн, возникающих в твердом теле. Песок, находящийся в пучностях стоячей волны (максимальная амплитуда колебаний), скатывается и скапливается в узлах, где амплитуда колебаний минимальна. Картина колебаний становится видимой.

Прибор Хладни давно уже не выпускается. Но в одном из кружков его сделали из круглой стеклянной пластины от электроскопа. Если провести по ее краю точильным бруском, получается песочный крест с четкими границами.

Вообще для изготовления прибора Хладни нужна гладкая плоская пластина толщиною около 3 мм из металла, в котором долго не затухают звуки, например, стали или бронзы.

В воздухе заметить звуковые волны тоже непросто, поскольку он прозрачен. Но в местах сгущения и разрежения волн его оптические свойства чуть-чуть меняются. Глаз этого не замечает, но есть довольно сложные приборы, дающие изображение волн на экране.