О неслышимых звуках

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.

Ультразвуки

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.

Рис. 4. Область слышимых звуков

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.

Петр Николаевич Лебедев (родился в 1866 г., умер в 1912 г.)

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

Много лет назад

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.