Неслышимые звуки... Непривычное сочетание слов - все
равно что черный свет или холодный кипяток. Между тем такие звуки
действительно существуют в природе, и в них нет ничего необыкновенного.
С ними, сами того не замечая, мы встречаемся на каждом шагу. Ультразвуки
наряду со слышимыми звуками издают тикающие часы, летящий самолет,
телефонный звонок и т. п. А вот пример из истории. В одном из древних
китайских храмов до настоящего времени хранится таз с ручками,
обладающий удивительным свойством. Стоит палить в него воду и слегка
потереть ручки, как вода словно вскипает, хотя остается холодной. Чудо
это разгадано. При трении ручек возникают невидимые глазом
высокочастотные колебания стенок таза. Они-то и вызывают <кипение>
налитой в таз воды. Виновником чуда оказался ультразвук.
Уже отмечалось, что по своей физической природе слышимый звук и
ультразвук ничем друг от друга не отличаются. Да, собственно, и нет
резкого перехода от слышимого звука к ультразвуку: тут граница
колеблется в пределах <от> и <до> и зависит от возможностей слухового
аппарата людей. Для одних ультразвук начинается с порога 10 килогерц,
для других этот порог поднимается до 20 килогерц. А некоторые люди и на
40- 50 килогерц могут реагировать. Правда, на слух они такие звуки
воспринимать уже не могут, но замечено, что у них, если они находятся
вблизи источника ультразвука, обостряется зрение.
Стало быть, нижний предел, перейдя который звук становится ультразвуком,
зависит от порога слышимости людей, а поскольку он не у всех одинаковый,
специалистам ничего не оставалось, как согласиться на какие-то <средние>
величины. Обычно это 16-20 килогерц.
Несколько по-иному обстоит дело с определением верхней границы
ультразвука. Возможности человеческого слуха тут во внимание не
принимаются, а отталкиваются от физической природы упругих колебаний,
которые могут распространяться в материальной среде при условии, что
длина волны должна быть больше длины свободного пробега частиц этой
среды (молекул) или больше межатомных расстояний. Длина же волны
находится в обратной зависимости от частоты колебаний. Вот почему
ультразвуковые колебания затухают в газах больше, чем в жидкости, и еще
больше, чем в твердом теле. Или, говоря по-другому, газы - наименее
подходящая для ультразвука среда, чем жидкость, а тем более твердое
тело.
На основании исследований знаменитого русского физика П. Н. Лебедева и
его учеников можно сделать вывод, что высшая граница ультразвуковых
колебаний в материалах с малым поглощением энергии звуковых волн
находится в районе 100 миллиардов герц. Ультразвук еще более высоких
частот должен поглощаться настолько, что будет полностью затухать уже у
самой поверхности излучателя. Ультразвук такой частоты пока еще не
получен. Наиболее высокий ультразвук, уже полученный, имеет частоту 25
миллиардов герц. Он может распространяться на очень небольшие расстояния
и то только в кристаллах, например, в кристаллах кварца или при очень
низких температурах, близких к абсолютному нулю.
В зависимости от длины волны и частоты ультразвук обладает
специфическими особенностями излучения, приема, распространения и
применения, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить на
три подобласти: низкие ультразвуковые частоты (1,5-104 - 105 герц),
средние (105 - 107 герц) и высокие (107-109 ге
.ультразвуковые волны применяются как в научных исследованиях при
изучении строения и свойств вещества, так и для решения самых
разнообразных технических задач.
Ультразвук отличается от обычных звуков тем, что обладает значительно
более короткими длинами волн, которые легче фокусировать и
соответственно получать более узкое и направленное излучение, то есть
сосредоточивать всю энергию ультразвука в нужном направлении и
концентрировать ее в небольшом объеме. Многие свойства ультразвуковых
лучей аналогичны свойствам световых лучей. Но ультразвуковые лучи могут
распространяться и в таких средах, которые для световых лучей
непрозрачны. Это позволяет использовать ультразвуковые лучи для
исследования оптически непрозрачных тел.
Мощность ультразвука в отличие от слышимых звуков может быть достаточно
большой. От искусственных источников она мол-сет достигать десятков,
сотен ватт или даже нескольких киловатт, а интенсивность-десятков и
сотен ватт на квадратный сантиметр. Следовательно, с ультразвуком внутрь
материальной среды поступает очень большая энергия механических
колебаний. Возникает так называемое звуковое давление колебательного
характера. Его величина непосредственно связана с интенсивностью звука.
Например, для слышимых звуков, соответствующих разговору средней
громкости, это давление ничтожно мало, его можно сравнить разве что с
таким давлением, которое оказывает мошка, сидящая на листочке, плывущем
по воде. При интенсивности ультразвуковой волны от трех до пяти ватт на
квадратный сантиметр звуковое давление (в воде) оказывается равным
нескольким атмосферам - в несколько миллионов раз превышает давление
звуков речи. К тому же не следует забывать, что это давление меняет свой
знак, переходя', в разрежение, с частотой многих тысяч раз в секунду^
К верхней границе ультразвуковых волн примыкают волны гиперзвукового
диапазона (109- 1013 герц). Упругие колебания этих частот называют
гиперзвуком, или по-другому можно сказать ультра-ультразвуком.
Гиперзвук - это тот же ультразвук. Разница только в том, что благодаря
более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в области
ультразвуковых колебаний, длинам волн гиперзвук по-иному взаимодействует
со средой. Это взаимодействие осуществляется уже на уровне элементарных
частиц. Гиперзвук характеризуется частотами, соответствующими частотам
электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и
миллиметрового диапазонов (это все сверхвысокие частоты, СВЧ).
Гиперзвуковой частоте 109 герц в воздухе соответствует длина волны
3,4-Ю-5 сантиметра, она одного порядка с длиной свободного пробега
молекул в воздухе при этих условиях. А мы уже знаем, что условием
распространения высокочастотных упругих колебаний в среде является такое
соотношение между длиной волны и длиной свободного пробега, при котором
длина волны заметно больше длины пробега (а в жидких и твердых средах -
больше межатомных расстояний). Поэтому в газах при нормальном
атмосферном давлении гиперзвуковые волны практически не
распространяются. В жидних средах распространяются на очень короткие
расстояния. Относительно хорошими проводниками гиперзвука являются
твердые тела в виде монокристаллов и то при низких температурах.
До того как стало возможным получать гиперзвук искусственным путем,
изучение гиперзвуковых волн и их распространение в жидкостях и твердых
телах проводилось главным образом оптическим методом, основанным на
исследовании рассеяния света на гиперзвуках теплового происхождения. При
этом было обнаружено, что рассеяние в оптически прозрачной среде
происходит с образованием нескольких спектральных линий, смещенных
относительно частоты падающего света на частоту гиперзвука.
Современные методы получения и приема гиперзвука, так же как и
ультразвука, основываются на использовании пьезоэлектрического и
магнитострикционного эффектов (о них будем говорить дальше). При
возбуждении гиперзвука с помощью резонансных электроакустических
преобразователей, применяемых в ультразвуковом диапазоне частот, размеры
этих преобразователей должны быть очень малы ввиду малости длины волны
гиперзвука. Их получают, например, путем вакуумного напыления пленок из
пьезоэлектрических материалов на торец звукопровода, имеющего формы
кристаллического стержня из сапфира, рубина, кварца и других веществ
кристаллического строения.
Уникальные свойства гиперзвука определили и специфическую сферу его
применения. <Потребителями> гиперзвука оказались прежде всего физика
твердого тела (для исследований состояния вещества), акустоэлектроника и
акустооптика.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.
