На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. Тут без слесаря не обойдешься, а с помощью ультразвука это можно сделать.Магнитострикционный вибратор
может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закаленном металле и в самых твердых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны.
Применение ультразвука значительно расширилось после того, как было открыто явление кавитации. Уже давно было замечено, что гребные винты морских судов быстро изнашиваются при увеличении числа оборотов. Поверхность хорошо отполированного, не поддающегося ржавлению винта покрывалась мелкими щербинками. Гидродинамические свойства винта, т. е. способность его приводить судно в движение, резко ухудшались. Так же разрушались и лопасти гидротурбин. Причину этого явления удалось установить лишь после того, как обнаружили, что так же разрушается поверхность электродов, нанесенных на кварцевый пьезоэлектрик, если он излучает мощные ультразвуковые колебания.
При работе гребного вала и лопастей гидротурбины создаются в жидкости мощные упругие колебания ультразвуковой частоты. В момент разрежения волны образуются в жидкости разрывы, заполненные растворенным в воде газом, — кавитационные пузырьки. Легче всего они возникают там, где есть частицы воздуха или каких-то примесей. В слое сжатия очень большое давление, оно вызывает кавитацию: разрывы в жидкости исчезают и происходит гидравлический удар. Эти гидравлические удары и разрушают металлическую поверхность винта или лопастей. Удар одного кавитационного пузырька слаб, но на поверхность металла обрушиваются тысячи таких ударов.
Физические явления изучаются не только для того, чтобы понять их сущность, но и для того, чтобы научиться ими управлять, чтобы с их помощью бороться со стихиями природы. Так действовал человек всегда со времен возникновения человеческого общества.
Одно из первых явлений природы, которое человек наблюдал, которое стремился понять,— это эхо. Очевидно, еще в раннем, каменном веке человек научился пользоваться этим явлением для ориентировки в горной местности.
Отражение звука от препятствий во многом похоже на полет мяча, брошенного на землю или на стену. Угол его падения равен углу отражения. В горном ущелье мы слышим многократное эхо. Это значит, что к нам приходят звуки, отраженные от нескольких скал. Если в горах крикнуть и отметить время до прихода эха, то легко определить расстояние до места, от которого звук был отражен. Для этого достаточно умножить скорость звука на засеченное время и это произведение разделить на два, так как за это время звук прошел «туда» и «обратно».
В 1887—1889 гг. звук впервые был применен для определения глубины моря. Источником звука был колокол, звучавший под водой. Результаты опытов не были утешительными: звук, отражаясь от дна, давал очень слабое эхо, еле слышное в общем шуме моря.
Колокол использовали для предупреждения кораблей во время тумана. Он звонил под водой в центре опасной при тумане бухты. Корабли, направляющиеся в гавань, опускали по бортам слуховые трубы, похожие на уши. Но звучание колокола оказалось и для этого слишком слабым.
Значительно сильнее звук дает сирена — вращающийся диск с отверстиями, через которые продувают струю воздуха. Колокол заменили сиреной.
К измерению глубины моря с помощью эха вернулись несколько лет спустя. В 1912 г. был сконструирован специальный прибор — эхолот. У одного из бортов корабля взрывали в воде пороховой патрон, звук взрыва после его отражения от дна принимался на другом борту. Эхолотом можно было измерять глубины до 150 м. Эхолотом был заменен менее совершенный прибор — лот (канат с грузом на конце и метками длины).
Колебания с частотой менее 16 гц не воспринимаются нашим слухом — это инфразвук. Не слышны также колебания с частотой более 20 000 гц — это ультразвук. Когда были созданы высокочувствительные приемники звуков
для самых различных частот, обнаружилось, что инфра- и ультразвуки распространены в природе так же широко, как и звуки слышимые. Выяснилось, что их излучают и воспринимают живые существа на суше, в воздухе и в воде и используют их для своих «переговоров». Собаки, например, воспринимают ультразвуки с частотой до 40 кгц. Этим пользуются дрессировщики, чтобы подавать собаке команду, неслышимую людьми. Установленные в море приемники ультразвука обнаруживают его при появлении «плавающих островов» планктона. Оказалось, что крохотные веслоногие рачки в этом планктоне создают ультразвуковые волны, потирая лапку о лапку. В море были обнаружены и слышимые звуки: их издают некоторые рыбы (см. в т. 4 ст. «Звуки моря»). Издает звуки и само море. Их называют «голосом моря». Частота таких звуков меньше 16 гц. Порывистый ветер где-то далеко зарождает шторм, приводит в движение поверхность воды. Сжатие и разрежение морской волны передаются в пространство над водой и порождают инфразвуковые волны.
Инфразвуковое излучение ощущают различные жители моря: медузы, ракообразные существа, морские блохи и гоморусы. Прибрежные животные, услышав «голос моря», прячутся в морской глубине или в водорослях. Еще раньше узнают о приближении шторма морские животные, находящиеся вдали от берега, потому что звук вообще распространяется в воде в 5 раз быстрее, чем в воздухе,— со скоростью 1460 м/сек.
Инфразвук мы не слышим, но можем его ощущать. Иногда в троллейбусе компрессор воздушного тормоза начинает работать ненормально, и пассажиры, хотя и не слышат звук, ощущают боль в ушах.
В глубокой древности звуки мелодий записывали буквами, в средние века — особыми значками, невмами, которые приблизительно указывали повышение и понижение тонов. Для более точного определения высоты тона к невмам стали приписывать цветные черточки. Невмами записывали только вокальные мелодии, но эта запись лишь приблизительно указывала певцу последовательность повышений и понижений тона. В XI в. итальянец Гвидо д'Ареццо изобрел более точную систему записи звуков на четырех линейках. Он же дал названия для большинства современных нот. Только в XIV в. появилась запись нот на пяти линейках — нотоносцах. Кроме пяти основных линеек, применяют 5 добавочных вверху и 5 внизу. Ноты записываются на линейках и между ними. Что означают линейки, указывает ключ, который находится слева на основных линейках. Для фортепьянной музыки характерны два ключа— скрипичный и басовый. Для записи хоровой и оркестровой музыки существуют и другие ключи: до, соль, фа.Основные линейки в нотной записи разбиты на равные части, так называемые такты. Они определяют длительность звучания. Размерность музыкального произведения и его тональность указаны рядом с ключом. Нотами обозначают только основной звук. Обертоны, определяющие тембр, окраску звука, зависят от музыкального инструмента.
Мы с удовольствием слушаем песню, игру пианиста или скрипача, духовой оркестр, играющий в отдалении. Все эти звуки мы называем музыкой. Но редко встречаются люди, которым приятны визг, скрежет, грохот. В науке музыкальным называется тот звук, в котором изменение акустического давления, воспринимаемое ухом, упорядочено и, кроме того, повторяется регулярно, через равные промежутки времени. Звук перестает быть музыкальным, и его называют шумом, если звуковое давление изменяется в нем беспорядочно.
В каждом музыкальном звуке есть тон и тембр. Понятие звуковой тон ввел в акустику Галилео Галилей. Тон звука определяется частотой, с которой изменяется давление в звуковой волне. Небольшая частота колебаний соответствует низкому тону, большая частота колебаний — высокому тону.
Если бы вибрирующие тела создавали при звучании в каждый момент только один тон, мы не смогли бы отличать голос одного человека от голоса другого, а все музыкальные инструменты звучали бы для нас одинаково. Всякое вибрирующее тело создает одновременно звуки нескольких тонов и при этом различной силы. Самый низкий из них называют основным тоном; более высокие тона, сопровождающие основной, — обертонами. В совместном звучании основной тон и обертоны создают тембр звука. Каждому музыкальному инструменту, каждому человеческому голосу присущ свой тембр, своя «окраска» звука. Один тембр отличается от другого числом и силой обертонов. Чем больше их в звучании основного тона, тем приятнее тембр звука.
Ухо человека способно анализировать звук, т. е. разбираться в совокупности тонов и обертонов, и это позволяет ему отличать один тембр от другого.
Если высокие обертоны преобладают в человеческом голосе над низкими, говорят, что в голосе «слышится звучание металла».
Пока самолет летит медленнее звука, все происходит по формуле Доплера: он догоняет свой звук, частоты соответственно изменяются. Как только самолет достиг скорости звука, он начинает двигаться вместе со звуком. Но вот он увеличивает скорость, обгоняет звук. Все звуковые колебания воздуха должны оставаться сзади самолета, в конусе, угол которого тем меньше, чем скорость самолета больше скорости звука.
Но так происходило бы, если бы самолет возбуждал только слабые возмущения в воздушной
среде, такие, как звук. Но самолет — источник очень сильных возмущений. При полете со сверхзвуковой скоростью воздух перед летящим телом уплотняется, и в этом слое воздуха резко возрастают и давление и температура. Этот слой даже удается сфотографировать, настолько в нем отличны и плотность и коэффициент преломления от обычного воздуха. Скорость звука в таком слое тоже меняется, она становится больше скорости самолета. Возникает так называемая ударная волна, она намного обгоняет самолет. Распространяясь, ударная волна затихает, и ее скорость сравнивается с обычной звуковой; следовательно, она уже отстает от самолета.
Иногда в безоблачный день вы слышите будто удар грома. С удивлением ищете в небе грозовое облако, но, приглядевшись, видите вместо него серебристую точку... Это — скоростной самолет, а удар «грома» — остатки его ударной волны, давно уже превратившейся в звуковую. Если такой самолет пролетит на высоте в 20 м вдоль колонны автомобилей, идущих по шоссе, мощная ударная волна разобьет все автомашины и сбросит их остатки в кювет.
Вас кто-то окликнул. Услышав голос, вы повернете лицо именно в ту сторону, откуда он донесся. Происходит это потому, что слуховые раздражения приходят в мозг одновременно от обоих ушей только в том случае, если источник звука находится от них на равном расстоянии. Голову мы поворачиваем всегда в ту сторону, откуда звуковое раздражение пришло в мозг хотя бы на сотую долю секунды раньше, чем раздражение, воспринятое другим ухом.
Таким образом, восприятие звука обоими ушами дает возможность определить, в какой стороне от нашего лица находится источник звука. Это свойство нашего слуха называется бинауральным эффектом. Его часто используют в технике, например для стереофонического звучания в кино. При демонстрации стереофонически озвученных фильмов звуки производятся двумя или несколькими динамиками в различных точках кинозала. По такому же принципу устроены и проигрыватели для стереофонических граммофонных пластинок.
Один и тот же звук может восприниматься одним человеком как нормальный, а другим — как громкий. Громкость звука зависит не только от чувствительности уха, но и от психического восприятия. И тем не менее каждый человек воспринимает звук, обладающий большей энергией, как более громкий.
Самый слабый звук с самой малой энергией, воспринимаемый ухом, называют порогом слышимости. Низкие и высокие тона воспринимаются на пороге слышимости по-разному. Чтобы у них была одинаковая громкость, энергия и давление звука должны быть у низких тонов больше, чем у высоких. Тембр звука определяется не только количеством высоких и низких обертонов, но и соотношением их энергий и звуковых давлений.
Очень сильные звуки создают в органах слуха ощущение боли. Звук любого тона имеет болевой порог восприятия. На цветном рисунке у страницы 112 показаны границы слышимости. Область слышимости ограничена двумя кривыми: порога слышимости и порога болевого восприятия. Естественная же область звуковых давлений, воспринимаемых ухом при звучании голоса, показана на этом рисунке штриховкой.
Только привычка пользоваться своим слухом да недостаточная осведомленность мешают нам удивляться подлинному чуду — устройству нашего уха.
Наше ухо — очень точный прибор. Мы легко определяем, сравнивая два звука, какой из них громче и какой обладает большей энергией, даже если их интенсивности близки. А слышать мы можем и шелест листьев, и тиканье часов, и раскаты грома, и грохот водопада. Каждый из этих звуков воспринимается органом слуха, который оценивает его громкость.
Зависимость между энергией воспринимаемого звука и тем ощущением громкости, которое он производит, установлена опытным путем. При этом выяснилось, что изменение громкости звука при изменении потока энергии звуковой волны проще всего оценивать с помощью логарифмов.
Принято считать, что громкость звука изменится на единицу, если его энергия увеличится или уменьшится в 10 раз. Единица громкости— бел (б). Однако для практических оценок громкости звука оказалось удобнее пользоваться десятой частью этой единицы — децибелом (дб).
Если энергия первоначального звука Е0 возрастет в 10 раз, т. е. окажется равной 10 E0, то громкость воспринимаемого звука увеличится на 10 дб; энергия вырастет в 100 раз, громкость повысится на 20 дб; в 1000 раз — на 30 дб. Всему необъятному диапазону в изменениях энергии звука, который доступен нашему уху, т. е. изменение примерно в 10 триллионов раз, соответствует изменение в ощущении громкости всего на 13 б, или на 130 дб.