Решив немного развить данную тему, обратился к
первоисточникам. Посетил несколько городских библиотек, потерял очень
много времени, и был удивлен, что с книгами у нас напряженка. В одной
библиотеке книг на данную тему не было, во второй - одна книга и
то на абонементе, в третьей потеряна, в четвертой удалось взять две
книги. Одна полностью посвящена звуковым колебаниям "Звук,
ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство "Знание"
Москва 1986 год. Вторая книга: "Справочник по элетрохимическим и
электрофизическим методам обработки", Издательство машиностроение" 1988
год. В этом справочнике ультразвуку отводилось всего 10 страничек. В
связи с тем, что книги на эту тематику очень редки, делаем попытки
оцифровать эти книги
Что такое звук? Учебник
ответит сухо и строго: звук - это упругие волны, распространяющиеся в
газах, жидкостях и твердых телах и воспринимаемые ухом человека и
животных.
А помните, как у Гоголя в "Старосветских помещиках"? "Но самое
замечательное в доме - были поющие двери. Как только наступало утро,
пение дверей раздавалось по всему дому. Я не могу сказать, отчего они
пели: перержавевшие ли петли были тому виною или сам механик, делавший
их, скрыл в них какой-яибудь секрет,- но замечательно то, что каждая
дверь имела свой особенный голос: дверь, ведущая в спальню, пела самым
тоненьким дискантом; дверь в столовую хрипела басом, но та, которая была
в сенях, издавала какой-то странный дребезжащий и вместе стонущий звук,
так что, вслушиваясь в него, очень ясно наконец слышалось: "батюшки, я
зябну!"..."
Мы живем в мире звуков. Мы их слышим всюду - в поле, в лесу, дома и вне
его. Звуки для нас - источник разного рода информации, которая в целом
ряде случаев воспринимается нами субъективно - пример тому
процитированный выше отрывок из повести Гоголя. Благодаря звуку наши
мысли обретают плоть, и мы получаем возможность общаться друг с другом.
Вряд ли можно усмотреть преувеличение в утверждении, что мир звуков
столь же разнообразен, как и мир красок - цвета.
Но все это слышимые звуки. А есть звуки, которые не воспринимаются
человеческим ухом, мы их не слышим. Отсюда их название - "неслышимые
звуки". Название не столько научное, сколько бытовое, потому что в науке
весь ряд неслышимых звуков имеет свою классификацию: гиперзвук,
ультразвук и инфразвук.
Наиболее хорошо изучен и потому нашел более широкое практическое
применение ультразвук. Гиперзвук стал объектом изучения и практического
использования сравнительно недавно в связи с развитием таких отраслей
науки и техники, как физика твердого тела, электроника, радиоэлектроника
и т. д. Мало еще изучен инфразвук, и область, где он
уже чему-то служит, пока еще очень ограниченная.
В развитии науки о неслышимых звуках видная роль принадлежит
отечественным ученым. Открытые в самом начале XX века неслышимые звуки
сразу привлекли к себе внимание исследователей, работающих в самых
различных областях науки и техники. Наша страна является родиной
практического использования ультразвуков. Впервые их применил в своих
исследованиях великий русский физик Петр Николаевич Лебедев. С тех пор
наши соотечественники идут в первых рядах исследователей неслышимых
звуков, открывая все новые возможности их применения на практике.
Физическая сущность слышимых и неслышимых звуков одна и та же. Почему же
именно ультразвуковой диапазон привлек внимание ученых самых различных
специальностей? Дело в том, что ультразвуки имеют некоторые особенности
по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне
сравнитель- , но легко получить направленное излучение; он хорошо
поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность
ультразвукового поля на определенном участке. Распространение
ультразвука в газах, жидкостях и твердых телах сопровождается новыми
интереснейшими явлениями, многие из которых нашли практическое
применение в различных областях науки и техники.
Ультразвук приобрел теперь множество профессий. Ультразвук строит и
разрушает, режет и сверлит, штампует и паяет, очищает, сортирует,
стерилизует, разведывает. Он помогает текстильщикам шлифтовать основы и
красить ткани, пищевикам экономить жиры, высокоэффективными способами
осветлять виноградный сок, намного ускорять созревание духов, рыбакам
обнаруживать косяки рыб, военным морякам - подводные лодки, медикам
выявлять злокачественные опухоли, машиностроителям определять в деталях
скрытые дефекты. Его взяли на вооружение геологоразведчики и нефтяники.
Довольны и химики, получая с помощью ультразвука тонкие краски и
различные эмульсии. Применение ультразвука в металлургии привело к
разработке принципиально но- ( вой технологии. Благодаря ультразвуку
стало возможным i синтезирование дисперсных сплавов и создание
антифрикционных материалов, значительно интенсифициро: вался процесс
обогащения руды. Ультразвуковые устройства нашли применение в
радиоэлектронике и при исследовании состава и свойств вещества. И это
еще не весь перечень, его можно продолжить.
Все большую роль ультразвук начинает играть в научных исследованиях.
Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в
области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие
разработать новые технологические процессы. Формируется новое
направление в химии - ультразвуковая химия, то есть химия, использующая
ультразвук для ускорения химико-технологических процессов. Научные
исследования в области физики способствовали зарождению нового раздела
акустики - молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие
звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука:
интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазометрия,
акустоэлектроника и др.
Одновременно с теоретическими и экспериментальными исследованиями
выполнено много практических работ. Разработаны и внедрены в
производство универсальные и специальные ультразвуковые приборы, станки,
агрегаты, установки. Созданы и уже применяются ультразвуковые автоматы;
включенные в поточные линии, они позволяют значительно повысить
производительность труда, эффективность производства и улучшить качество
продукции.
Книга познакомит читателей .с направлениями научных и теоретических
поисков в этой очень перспективной и важной отрасли знаний, а также с
некоторыми областями практического применения ультразвука. В первых
разделах книги приводятся элементарные сведения о физической сущности
звука. В последующих разделах рассказывается об особенностях
ультразвуковых эффектов, которые используются или могут быть
использованы в научных исследованиях и различных отраслях промышленности,
направленных на повышение эффективности производственных процессов и
улучшение качества изделий.
В конце книги помещен список литературы, которая поможет читателям более
подробно ознакомиться с современными достижениями науки и техники в области практического
использования ультразвука по различным проблемам и направлениям.
* * *
Автор выражает сердечную благодарность доктору
технических наук О. В. Абрамову, а также И. А. Антоновой и Н. А. Мисиюк
за помощь при подготовке книги к переизданию.
Звуки всегда служили людям
средством связи и общения друг с другом, средством познания мира и
овладения тайнами природы. Они по-разному воздействуют на человека:
радуют и раздражают, успокаивают и придают силы, ласкают слух и пугают
своей неожиданностью.
В глубокой древности звук казался людям удивительным, таинственным
порождением сверхъестественной силы. Они верили, что звуки могут
укрощать диких животных, сдвигать скалы и горы, преграждать путь воде,
вызывать дождь, творить другие чудеса.
Большое место в жизни древних людей занимали определенным образом
организованные звуки - то, что позднее получило название, музыки.
Древнеегипетские жрецы, заметив удивительное воздействие музыки на
человека, считали, что в ней заключена магическая сила, и старались
использовать ее в своих целях. Они воздействовали на воображение и
психику людей, подчиняя их своей воле. Умело подобранная музыка,
ритмичные звуки барабанов, гонгов, мелодичный перезвон колоколов
порождали религиозный экстаз и умиление. Ни один праздник не обходился
без ритуальных (обрядовых) песнопений под аккомпанемент систра. В
католических костелах играет орган, поет хор, православные церкви также
не обходятся без пения. Колокольный перезвон был привычным явлением на
Руси.
Отнюдь не случайно музыка стала обязательным элементом, скорее, даже
формой религиозных обрядов, богослужений и в христианской церкви, ибо
музыка - мощное средство воздействия на чувства верующих.
Историки считают, что нотная грамота, то есть способ записывать
музыкальную информацию для хранения, воспроизведения и передачи,- это
изобретение народов, населявших в древние времена Индию. Она имела те же
семь нот, что и сейчас, но названия у них были другие: са, ре, га, ма,
па, дха, ни.
В соответствии с тогдашним мировоззрением и мировосприятием людей каждая
из этих нот отражала определенное состояние души: са и ма - спокойствие,
умиротворение, га и дха - торжественность, ре - гнев, па - радость, ни -
печаль. Современная теория музыки свободна, конечно, от такого
мистического толкования отдельных звуков, однако ее, как и прежде,
интересуют законы гармонии, сила и "каналы" воздействия музыкальных
образов на психику людей, место и роль музыки в художественном познании
и освоении мира.
Одними из первых у человека появились струнные музыкальные инструменты.
Вероятно, прообразом их стал лук, точнее, стягивающая его тетива.
Постепенно из века в век инструменты совершенствовались и
видоизменялись, так возникли, по-видимому, арфы, скрипки, гитары и
другие смычковые и щипковые музыкальные инструменты.
Первобытные племена Африки, Центральной Америки и Полинезии применяли
особые барабаны для передачи известий. Условный сигнал, услышанный в
одном месте, повторяется в другом, третьем, и в короткое время обширная
область уведомляется о каком-либо важном событии. Во время первой войны
Италии с Абиссинией (ныне Эфиопия) все передвижения итальянских войск
становились известными негусу Менелику, что приводило в недоумение
итальянское командование, не подозревавшее о существовании у противника
барабанного телеграфа. В начале второй войны Италии с Абиссинией
подобным же образом был "опубликован" изданный в Аддис-Абебе приказ о
всеобщей мобилизации, который стал известен через несколько часов в
самых отдаленных провинциях. То же самое наблюдалось и во время
англобурской войны: благодаря "телеграфу" кафров все военные известия с
необыкновенной быстротой распространялись среди обитателей Каплэнда, на
несколько суток опережая официальные донесения через курьеров.
По свидетельству путешественника Лео Фробениуса, система звуковых
сигналов разработана у некоторых африканских племен так хорошо, что их
можно считать обладателями телеграфа, более совершенного, чем оптический
телеграф европейцев, предшествовавший электрическому. Археолог
Британского музея Р. Гасельден находился в городе Ибадан, расположенном
в глубине Нигерии, вдали от морского побережья. Постоянный глухой
барабанный бой непрерывно гудел днем и ночью. Утром ученый услышал, что
жители о чем-то оживленно переговариваются. Из рассказов он узнал, что
большой корабль белых людей потонул, много их погибло. Ученый не придал
этому слуху значения. Однако через три дня он получил телеграмму о
гибели "Лузитании". Благодаря барабанному телеграфу эту печальную весть
узнало все население от Каира до Ибадана. Это было тем более
удивительно, что племена, передавшие друг другу это сообщение, говорят
на совершенно разных наречиях, а некоторые из них в это время воевали
между собой.
Попытки понять и изучить звук предпринимались еще до нашей эры.
Греческий ученый и философ Пифагор, живший две с половиной тысячи лет
назад, ставил различные опыты со звуками, так называемые акустические
опыты. Он первым доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах
присущи длинным струнам. При укорочении струны вдвое звук ее повысится
на целую октаву. Открытие Пифагора положило начало науке акустике (и
теории музыки заодно).
Гармонические соотношения звуков, выявленные Пифагором и его учениками,
легли в основу более поздних представлений о так называемой гармонии
Вселенной. Согласно этим представлениям небесные тела и планеты
расположены относительно друг друга в соответствии с музыкальными
интервалами и излучают "музыку сфер". Считалось, например, что Сатурн
издает самые низкие звуки, звуки Юпитера можно сравнить с басом,
Меркурия - с фальцетом, Марса - с тенором, Земли - с контральто, Венеры
- с сопрано. У этой теории была долгая жизнь. Ее признавали даже в эпоху
Возрождения, когда уже были получены вполне научные сведения о движении
планет. Так, например, отголоски этой теории можно обнаружить в трудах
великого Кеплера, открывшего закон движения планет и сыгравшего огромную
роль в развитии астрономии и физики.
Первые звуковые приборы были созданы в театрах Древней Греции и Рима для
усиления звука. Известно также применение звуковых приборов в египетских
храмах, где были установлены "шепчущие" статуи богов. На египетских
памятниках мы встречаем изображения музыкантов, играющих на флейтах и
арфах.
В одном из итальянских кафедральных соборов с круглым залом диаметром 50
метров можно переговариваться со своим собеседником буквально шепотом,
находясь при этом в противоположных концах зала. Изучавшие этот храм
ученые объясняют это явление так: в помещениях с радиусом закругления 25
метров условия распространения звука наиболее благоприятны, так как
звуковые волны претерпевают многократное отражение и, накладываясь друг
на друга, усиливаются. Образно говоря, звук как бы "стелется" вдоль
закругленной стены, достигая собеседника без заметного затухания.
В некоторых музеях хранятся вазы античной работы, основное назначение
которых -не художественное украшение жилищ, а отражение, усиление и
сосредоточение звука. Делали их из алебастра и устанавливали в больших
залах, театрах, собраниях и даже на площадях. Ораторам не надо было
напрягать голос: благодаря вазам слушатели воспринимали речь довольно
четко на значительном расстоянии. В XVIII веке строители с той же целью
стали применять специальные звукопроводы в виде труб, изготовленных из
цемента. В частности, подобные звукопроводы можно найти в сооружениях,
возведенных по проектам Растрелли. Так, собор Смоленского монастыря весь
в звукопроводах. Предполагается, что они есть и в залах Зимнего дворца.
Исторические документы свидетельствуют, будто сиракузский тиран Дионисий
мог слышать даже легкий шепот, произнесенный кем-либо во дворце. Если
это правда, то, стало быть, в его дворце были хитроумные
звукоусиливающие устройства, подобные, вероятно, тем, о которых мы
только что говорили.
Немало ценных предложений по архитектурной акустике высказал римский
архитектор Витрувий в своем научном труде "Десять книг об архитектуре".
Интересные сведения о звуке дошли до нас из поэмы Лукреция "О природе
вещей", где он писал: "... Та же часть голосов, что до самых ушей не
доходит, попусту мимо идет и, рассеявшись в воздухе, гибнет, часть же
другая, в пути отскочивши от твердых предметов, звук отдает и порою
морочит подобием слова".
Свойство звука отражаться от препятствий древние архитекторы
использовали в своих сооружениях, а в некоторых случаях старались
избавиться от него. В английском замке Вудсток эхо отчетливо повторяется
17 раз, Это значит, что время задержки прохождения звука с учетом
многократных отражений настолько большое, что можно произнести 17
слогов, прежде чем эхо первого слога вернется обратно. А в итальянском
замке близ Милана громко сказанное слово повторяется эхом жесткой
"подложки". Часть поверхностного слоя песка обтекает ее гребни и
впадины. Поэтому вблизи подложки песок будет совершать движение в
условиях повышенного трения, что должно сопровождаться переходом
механической энергии в тепловую. Некоторая доля теряемой энергии
переходит при этом в звуковую.
В природе существуют так называемые вихревые звуки: свист ветра в
проводах, такелаже кораблей, ветвях деревьев, завывание в трубах, на
гребнях скал, в расщелинах и узких оврагах. Люди издавна пользовались
ими - на охоте, в быту. В Древнем Китае существовал обычай выпускать
голубей с привязанными к их хвостам маленькими бамбуковыми палочками.
Воздушный поток, проходящий через трубочку, вызывал нежное
посвистывание. Подобные звуки издает и тростниковая дудочка, которая
была прообразом зародившейся в Древнем Египте флейты. Позже ее стали
называть флейтой Папа - в честь древнегреческого бога лесов.
Одна из легенд гласит, что в Иерусалиме когда-то находилась "стозвучная"
двурогая труба. Во время жертвоприношений разжигали костер, теплый
воздух от которого устремлялся в трубу, заставляя ее выть. Мощные воющие
звуки возникали также, когда в нее врывались вихри от пламени пожаров
при осаде города. Еще один пример. В 1831 году в Пятигорске была
построена беседка, названная "Эоловой арфой". Внутри нее находились две
арфы, которые с помощью флюгера разворачивались против ветра и под
воздействием воздушного потока издавали гармонические звуки.
Люди с незапамятных времен занимались изучением звуков, или, как мы
теперь говорим, акустики. К концу XIX века акустика многим ученым
казалась вполне законченным зданием. Но затем выяснилось, что это не
совсем так. Особенно это касается ультра-, инфра- и гиперзвука, их
физических свойств и практического применения.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.
