Физика для всех. Движение. Теплота - Александр Китайгородский

Ультразвук способен совершать с веществом интересные превращения, поэтому он находит широкое применение в самых различных областях. Одно из таких превращений – дробление вещества. Если кусочек свинца или меди поместить в жидкость и подвергнуть его действию ультразвука, то металл крошится и образует тончайшую взвесь (или, как говорят, суспензию). Размельчение происходит в тех случаях, когда размеры частицы больше длины волны.

Если частицы вещества малы, то влияние ультразвука будет обратным. Действуя ультразвуком в помещении, заполненном дымом, можно быстро полностью очистить воздух. Оказывается, под действием ультразвука частицы дыма слипаются (это явление называется коагуляцией), становятся в десятки и сотни раз тяжелее и оседают на пол.

Особенно интересно воздействие ультразвука на биологические объекты. Многие клетки, особенно нитеобразной формы, разрушаются под действием ультразвука. Бактерии погибают или претерпевают существенные изменения. Ультразвуком можно стерилизовать молоко.

Интересная область применения ультразвука – поиски трещин и других дефектов в металлических отливках огромной толщины (вплоть до десятка метров). Если на пути ультразвукового луча встретится трещина или раковина, то лучи не пройдут через нее, а отразятся в обратном направлении. Это отражение улавливают прибором и по времени, затраченному ультразвуком на путешествие до дефекта и обратно, определяют глубину залегания дефекта.

Интересно используют ультразвук летучие мыши. Для того чтобы летучая мышь могла существовать в полной темноте, природа снабдила ее эхолокатором исключительного совершенства. Он работает на ультразвуковых частотах. При полете летучая мышь испускает неслышные человеческим ухом сигналы с частотой 25 000–50 000 циклов в секунду. Каждый сигнал длится примерно 10–15 тысячных долей секунды. Ультразвуковой сигнал, посланный мышью в определенном по отношению к ее телу направлении, попадает на препятствие, отражается от него и возвращается. Слуховые органы летучей мыши тоже необыкновенно развиты – летучая мышь способна услышать отраженный сигнал, даже если он будет в две тысячи раз слабее первичного сигнала. Более того, летучая мышь способна различить свой отраженный сигнал среди постороннего шума, хотя бы этот шум в тысячи раз превосходил по силе эхо посланного ею сигнала. По времени, которое проходит с момента подачи сигнала до его возвращения, мышь определяет (разумеется, инстинктивно), как далеко находится препятствие.

Как звук огибает препятствия

Вы находитесь в глубине комнаты во втором этаже и разговариваете. Открыто окно. За окном ваш товарищ. Услышит ли он вас? Да, если вы будете говорить достаточно громко, но все-таки он будет слышать гораздо хуже, чем в том случае, если он влезет на лестницу и станет против окна. Звуковые волны, выходя из окна, как бы растекаются во все стороны, но как-то неохотно. Это показывает, что звуковые волны лучше всего распространяются вперед по прямым линиям, но в какой-то степени отклоняются и в стороны. Относится ли это к любым звуковым волнам? Оказывается, нет.

Существенную роль играет соотношение между длиной волны и размерами отверстия. Если длина волны велика по сравнению с этими размерами, то, выходя из отверстия, волны «растекаются» во все стороны, как будто само отверстие является источником звука. Наоборот, если длина волны гораздо меньше размеров отверстия, звук распространяется по лучам, и там, где прямая линия, проведенная от источника звука к наблюдателю, попадает в препятствие (в нашем примере – в стену), возникает «тень»: звука почти не слышно.

В нашем примере средней частоте человеческого голоса в 1000 Гц соответствует длина волны 30 см. Поэтому такие волны в метровом оконном проеме распространяются охотнее всего вперед, но заметно отклоняются и в стороны.

Изобразить огибание препятствий звуковыми волнами на рисунке очень трудно.

Гораздо проще показать, как в похожей ситуации ведут себя поверхностные волны на воде. Об этих волнах мы поговорим чуть позже. Свойства таких волн несколько своеобразны. Однако, что касается правил огибания волнами препятствий, то они одинаковы и для водяных, и для звуковых воздушных волн.

Рис. 122 и 123 изображают прохождение водяных волн разной длины через какое-либо отверстие. На рис. 122 длина волны существенно больше размера отверстия. В этом случае волна почти полностью заполняет область за экраном. На рис. 123 изображена волна очень малой длины. Теперь распространение волны происходит по лучам. В область геометрической тени волна почти не заходит.

Таким образом, оказывается, что когда длина звуковых волн значительно меньше размеров тех предметов, с которыми они сталкиваются, звук ведет себя совершенно так, как будто это не колебания воздуха, а движущийся в воздухе поток частиц. Отличие от обычных частиц заключается главным образом в том, что обычные частицы могут двигаться с произвольными скоростями, а звук всегда распространяется с одной и той же скоростью.

Волновая природа звука сказывается в том, что он все-таки всегда в какой-то степени отклоняется от прямолинейного распространения. Как мы уже говорили, это отклонение тем меньше, чем меньше длина волны, но оно всегда существует и в принципе может быть измерено. Это отклонение называется дифракцией звука. Существование дифракции могло бы служить доказательством того, что звук есть волновое движение, если бы мы не знали этого непосредственно (по способу получения звука). Изучая дифракцию, можно было бы измерить длину звуковых волн, если бы мы опять-таки не знали ее по частоте колебаний источника звука.

Отражение звука

В этом параграфе мы будем предполагать, что длина звуковой волны достаточно мала и, следовательно, звук распространяется по лучам. Что происходит, когда такой звуковой луч падает из воздуха на твердую поверхность? Ясно, что при этом происходит отражение звука. Но куда он отражается?

Аналогия распространения звука с движением материальных частиц показывает, что такое отражение должно происходить так же, как отражение мячика от стенки, с той только разницей, что в результате процессов трения при ударе скорость мячика уменьшится, в то время как скорость распространения звука, связанная лишь со свойствами воздушной среды, конечно, не изменится. Трение здесь скажется не в изменении скорости звука, а в том, что при отражении часть энергии звуковых волн перейдет в тепло.

Поскольку отражение звука не отличается в принципе от упругого удара, закон отражения звука можно сформулировать следующим образом: угол падения звукового луча, т.е. угол, составленный лучом и нормалью (т.е. перпендикуляром) к участку поверхности, на который он попадает, равен углу отражения, причем отраженный луч находится в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к поверхности. Эта плоскость называется плоскостью падения луча.

Итак, если мы хотим узнать, куда пойдет отраженный луч, надо поступить следующим образом. В месте падения луча проведите нормаль, измерьте угол падения, постройте плоскость падения. Затем в этой плоскости отложите по другую сторону от нормали угол, равный углу падения; полученная прямая и представит собой отраженный луч (рис. 124).

Решим теперь интересную задачу. Как мы знаем, звук распространяется во все стороны от источника, и в отдаленную точку приходит лишь малая доля звуковой энергии.

Какой должна быть отражающая поверхность, для того чтобы собрать звук источника снова в одной точке? Форма отражающей поверхности должна быть такой, чтобы лучи, падающие на нее из одной точки (источника звука) под разными углами, отражались бы снова в одну точку. Что же это за поверхность? Мы уже знаем, что такое эллипс. На стр. 164 шла речь об этой замечательной кривой, обладающей той особенностью, что расстояние от одного фокуса эллипса до какой-нибудь точки кривой плюс расстояние от другого фокуса до этой же точки одно и то же для всех точек эллипса. Представьте себе, что эллипс вращается вокруг главного диаметра. Вращающаяся кривая опишет поверхность, которая называется эллипсоидальной, или просто эллипсоидом. Форма эллипсоида напоминает яйцо.

Эллипс обладает следующей геометрической особенностью (рис. 125). Если провести угол, который опирается на одну из его точек и стороны которого проходят через фокусы эллипса, то биссектриса этого угла будет нормалью к эллипсу (т.е. перпендикуляром к касательной к эллипсу в этой точке). Значит, если звуковой луч выйдет из одного фокуса эллипсоида, то, отразившись от его поверхности, он придет в другой. Так будут вести себя все лучи, и весь звуковой поток, который вышел из одного фокуса, соберется в другом.