Звуки в морских глубинах

При частоте 32 герца по громкости различаются три звука, при частоте 125 герц — 94 звука, а при частоте 1000 герц — 374. Но это увеличение не беспредельно. Начиная с частоты 8000 герц, число различимых звуков по громкости начинает уменьшаться, например, при частоте 16 000 герц можно различать только 16 звуков.

Человеческое ухо очень чувствительно к различным звукам и может уловить более полумиллиона звуков, отличающихся один от другого по тону и громкости, не считая различий звука по тембру.

Человек обладает еще одной замечательной способностью, он может определить направление на источник звука, используя бинауральный эффект (бинауральный означает двуухий).

Бинауральный эффект состоит в том, что оба уха человека воспринимают звук не одновременно, а со сдвигом по фазе. Если источник звука справа от нас, то к правому уху звук приходит раньше, чем к левому (рис. 7).

Рис. 7. К правому уху звук приходит раньше, чем к левому.

Если же источник звука расположен точно в прямом направлении (впереди или сзади), то к обоим ушам звук приходит одновременно и сдвига фаз не будет. Это и позволяет человеку определить, где находится источник звука.

Бинауральный эффект зависит еще и от другой причины. Если источник звука находится справа, то правым ухом человек будет слышать звук более громкий, чем левым, так как левое ухо от источника звука закрыто головой.

Но необходимо отметить, что различие по громкости восприятия звуков левым и правым ухом наблюдается только при высоких частотах (коротких волнах), а при более низких частотах (длинных волнах) звук будет огибать голову, почти не ослабляясь.

Органы слуха человека различают запаздывание между приходом звука к одному уху относительно другого примерно на 0,00003 секунды. Такая чувствительность органов слуха позволяет человеку определять направление на источник звука с точностью 3–4 угловых градуса.

Справедливо говорят, что ухо и глаз — самые чувствительные органы человека.

Какие звуки слышат животные?

Еще в старину человек подметил у многих животных удивительную способность слышать то, что не слышит человек. Он иногда приписывал это сверхъестественным силам, обожествлял некоторых зверей. В настоящее время можно ответить на этот вопрос научно.

Многие опыты подтвердили, что некоторые животные, птицы и насекомые не только издают, но и слышат звуки, частота которых превышает 20 000 герц, т. е. слышат ультразвуки. Собаки, например, обладают очень хорошим слухом, они слышат звуки с частотой до 40 000 герц.

Очень давно, когда еще не знали о существовании ультразвука, люди заметили, что собаки воспринимают какие-то звуки, которые человек не слышит. Это и натолкнуло людей впервые применить такие звуки на практике.

Браконьеры во время охоты подавали сигналы специальными свистками, звуки от которых не воспринимались человеческим ухом, но хорошо улавливались собакой. Это делалось для того, чтобы в случае необходимости подозвать к себе собаку, избежав встречи со сторожем.

А как обучить собаку выполнять команду, поданную неслышимыми звуками? Оказывается, это совсем нетрудно, необходима только небольшая дрессировка.

Вам, вероятно, приходилось наблюдать в цирке «грамотных» собак, умеющих складывать, вычитать и даже умножать числа (рис. 8).

Рис. 8. «Грамотная» собака решает арифметические задачи, в этом ей помогает ультразвук.

Иные могут подумать, что собаки на самом деле решают задачи. Но это не так. Все значительно проще. Собаке подают ультразвуковой сигнал в тот момент, когда она находится в районе нужной цифры. Собака берет зубами цифру, которая находится ближе к ней. Эта цифра и есть результат арифметической задачи, которую быстро решил дрессировщик.

Более интересную загадку природы представляет собой летучая мышь. Известно, что летучая мышь свободно ориентируется в темноте и не наталкивается на препятствия. Кроме того, она, имея плохое зрение, на лету обнаруживает и ловит насекомых, не видя их. Как же она это делает? Оказывается, и летучей мыши помогает ультразвук.

Во время полета летучая мышь издает ультразвуки с частотой 5—20 импульсов (коротких посылок) в секунду. Отразившиеся от препятствий импульсы воспринимаются летучей мышью, что позволяет ей свободно летать, не наталкиваясь на такие предметы, как ветка дерева, телеграфный провод и даже тонкая нитка (рис. 9).

Рис. 9. В полной темноте летучая мышь ориентируется совершенно свободно, она обнаруживает на своем пути даже очень маленькие препятствия.

Для объяснения этой удивительной способности летучей мыши были проведены специальные опыты. Было замечено, что если на пути летучей мыши попадались мягкие предметы (ковер, бархатные шторы и т. п.), то она наталкивалась на них, потому что мягкие предметы, поглощая ультразвуковые импульсы, слабо отражают их. Поэтому летучая мышь «не видела» этих предметов и натыкалась на них.

Опыты продолжали. Поочередно лишали летучую мышь зрения, обоняния, осязания, вкуса и слуха. И что же выяснилось? Оказывается, лишенная зрения летучая мышь продолжала свободно ориентироваться среди предметов. При лишении обоняния, осязания и вкуса ничего не изменилось. Но когда мышь лишили слуха, она стала совершенно беспомощной и ничего «не видела».

Для большей убедительности проделали еще один опыт. Летучая мышь издает звуки ртом. А что если лишить ее голоса или закрыть рот? Исследования показали, что это равноценно тому, что лишить летучую мышь слуха.

Итак, загадка летучих мышей была раскрыта, проводимые исследования навели на мысль применить ультразвук для пользы человека.

Так, например, были созданы специальные ультразвуковые излучатели, которые устанавливались у водоемов пресной воды. Это было сделано для отпугивания чаек, которые загрязняли водоемы. Ультразвуковые колебания являлись как бы бдительными сторожами, не допускающими чаек к водоему.

Много интересного об ультразвуке можно узнать, изучая некоторых животных. Морская свинка, сова, серая мышь, барсук воспринимают ультразвуковые колебания с частотой до 100 000 герц. А белые мыши не только подают и воспринимают, но и «разговаривают» между собой ультразвуковыми сигналами.

Морские млекопитающие — киты и дельфины — обладают чрезмерно хорошим слухом. Дельфины издают и воспринимают звуки в широком диапазоне с частотой от 150 до 150 000 герц, а киты до 30 000 герц. Эти животные переговариваются между собой, а дельфины очень болтливы и даже имеют свой «словарь».

Многочисленные наблюдения показали, что дельфины используют звук не только для переговоров, но, как и летучие мыши, для обнаружения рыб и препятствий (рис. 10).

Рис. 10. Морские животные и рыбы пользуются ультразвуком.

Недавно изобрели любопытный прибор для борьбы с мышами и крысами. Стало известно, что кошка издает ультразвуки, которые хорошо слышат мыши и крысы, но не слышат люди. Если прибор, издающий «кошачьи» звуки, установить в квартире, то мыши и крысы в панике разбегаются в разные стороны.

Неслышимые звуки действуют на организмы

Многочисленные опыты показали, что ультразвук не только оказывает действие на органы слуха, но, например, действует на простейшие живые существа губительно. Так, например, инфузории погибают, если в воде установить источник ультразвука. Уничтожаются ультразвуком многие микроорганизмы, даже такие стойкие, как туберкулезные палочки. Вирусы гриппа под действием ультразвука в течение одного часа понижают свою активность в тысячи раз.

Ультразвук действует и на более сложные организмы. Поместите в аквариум мощный источник ультразвука и вы заметите, что рыбки становятся малоподвижными, а через некоторое время вообще теряют способность двигаться, переворачиваются вверх брюшками и всплывают на поверхность (рис. 11).

Рис. 11. Рыбы проявляют большое беспокойство под действием ультразвука.

Но стоит только убрать источник ультразвука, как рыбки становятся подвижными, как и до начала опыта. Если же увеличить мощность ультразвука, то рыбки погибнут.

Человек, попавший в зону сильного ультразвукового излучения, теряет равновесие и ощущает неприятную тошноту. Если поднести руку к источнику ультразвука, то чувствуется постепенное согревание тела, а через некоторое время кисть руки нагревается настолько, что невозможно терпеть. При малой мощности ультразвук может благоприятно действовать на организм человека. В настоящее время при лечений некоторых заболеваний ультразвук применяется как лечебное средство.

Совсем недавно ученые научно обосновали давно известное явление. Многие больные ревматизмом предсказывают плохую погоду, ссылаясь на боль в суставах.

Ученые провели ряд наблюдений за больными на берегу Черного моря и сделали вывод, что при надвигающемся шторме или урагане издалека приходят инфразвуковые волны, которые и действуют на больного человека.

Эти волны воспринимаются и некоторыми животными. Медузы, например, перед штормом устремляются дальше от берега в открытое море, а ракообразные живые организмы прячутся в песок подальше от воды, чтобы не погибнуть от ударов волн.

Чем создать ультразвук?

Для того чтобы ультразвук стал помощником человека, нужно прежде всего знать, как его создать искусственно.

Замечено, что кристаллы кварца и сегнетовой соли обладают удивительным свойством. Если пластинку, вырезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды, противоположные по знаку (рис. 12).

Рис. 12. Если пластину кварца сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды.

Чем сильнее сжимать пластинку, тем больший заряд возникает на ее гранях. И наоборот, если к этой пластинке подвести напряжение, то она изменит свой размер. Чем больше напряжение, тем больше изменится размер.

При изменении знака приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, иными словами, она будет колебаться в такт с изменением знаков приложенного напряжения. Чем чаще будут изменяться знаки подводимого напряжения, тем быстрее будет колебаться пластинка.

Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при механическом воздействии получило название прямого пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, а), а изменение размеров пластинки под действием электрических зарядов — обратного пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, б).

Рис. 13. Пьезоэлектрический эффект: а — прямой; б — обратный.

Это замечательное свойство кристаллов кварца и сегнетовой соли легло в основу создания источника ультразвуковых колебаний. В чем же физический смысл пьезоэлектричества? В основе пьезоэлектричества лежит явление поляризации диэлектриков, в результате которого под действием электрического поля внутри вещества возникают электрические диполи.

Электрические диполи представляют собой частицы вещества с двумя разноименными зарядами, находящимися один от другого на некотором расстоянии. Электрический диполь можно сравнить с маленьким заряженным конденсатором с разноименными полюсами.

Существуют естественные диэлектрики, которые имеют дипольную структуру и без электрического поля, к ним относятся пьезокристаллы.

В природе кварцы встречаются небольших размеров. Излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность, в то время как нам необходим мощный источник ультразвука.

Ланжевен предложил маленькие пластинки кварца составлять в виде мозаики (рис. 14), чтобы увеличить площадь излучателя.

Рис. 14. Мозаика, составленная из пластинок кварца.

Однако одна мозаика из кварцевых пластин — это еще не излучатель, а только его сердцевина. Поэтому кварцевую мозаику приклеивают к металлической мембране. Но и это не все. Чтобы кварцевые пластины колебались, а вместе с ними колебалась и мембрана, нужно к излучателю подключить источник высокочастотных колебаний.

Сравнительно недавно научились выращивать кварцы больших размеров лабораторным путем. Пластины из таких кристаллов не нужно склеивать. Но растут кристаллы кварца медленно и дороги в производстве.

Кристаллы сегнетовой соли легко выращиваются искусственно, легко обрабатываются и обладают значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, чем кварц. Но сегнетовая соль боится влаги, имеет низкую температуру плавления и обладает малой прочностью.

В природе существует свыше 300 кристаллических веществ, обладающих пьезоэлектричеством, но среди них трудно подобрать пригодные для излучателя звука.

В настоящее время применяют главным образом титанат бария, который получают искусственным путем. Этот материал очень прочен, прост в изготовлении, дешев и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами.

Для изготовления излучателей ультразвука используют также другое замечательное свойство — магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель) и их сплавы, помещенные в переменное магнитное поле, изменяют свои размеры в такт изменению магнитного поля — прямой магнитострикционный эффект.

А если наоборот, сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного сплава, то намагниченность стержня будет изменяться, а следовательно, будет изменяться магнитное поле. Это — обратный магнитострикционный эффект.

Магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких никелевых пластин толщиной примерно 0,1 миллиметра. Пакет делается не сплошным, а с прорезями, в которые укладывается обмотка (рис. 15, а).

При пропускании переменного тока по обмотке создается переменное магнитное поле, под воздействием которого пакет то удлиняется, то укорачивается. Если с большей частотой изменять знаки, то пакет будет колебаться с такой же частотой, передавая колебания среде (рис. 15, б).

Рис. 15. Магнитострикционный излучатель: а — принципиальное устройство; б — колебания излучателя передаются среде.

Как уже упоминалось ранее, пьезоэлектричество и магнитострикция имеют прямой и обратный эффекты, а это значит, что излучатель может применяться и как приемник. Учитывая это, принято называть излучатели и приемники преобразователями или вибраторами, которые в зависимости от принципа действия бывают пьезоэлектрическими и магнитострикционными.

Ультразвук в действии

Сейчас ультразвук в нашей жизни играет большую роль. Трудно назвать области промышленности или науки, куда бы он не проникал со стремительной настойчивостью.

Ультразвук применяется в медицине, металлургии, химии, физике, пищевой промышленности, на рыбном промысле и во многих других областях.

Военные моряки многим обязаны ультразвуку. Ни один корабль не выйдет в море без специальных приборов, работа которых основана на использовании ультразвука.

Ультразвуковые волны имеют способность отражаться от всевозможных препятствий. Препятствием для ультразвуковой волны может быть не только какой-либо предмет, но и разнородная среда. Этот принцип использован при разработке дефектоскопов, определяющих качество отлитых металлических деталей. Если короткий импульс ультразвукового сигнала, распространяясь в металлической болванке, встретит на своем пути раковину или трещину, то он отразится в обратном направлении. Чувствительные приборы зафиксируют отраженный импульс, и брак отливки будет обнаружен (рис. 16).