Люди и животные видят мир по-разному. Собаки и кошки, например, воспринимают его однотонным черно-белым, бабочки видят не только все цвета радуги, но еще ультрафиолетовые и, возможно, даже — инфракрасные цвета. И пусть они видят мир не очень четко, словно в тумане, туман этот наполнен немыслимым, непереводимым на язык наших чувств разнообразием красок! Увы, сравниться с бабочкой в широте диапазона зрения нам пока не помогут даже тончайшие физические приборы. Но даже в школьной физической лаборатории можно попробовать сымитировать зрение в ультразвуковом диапазоне.
Ультразвук — это не слышимые ухом человека звуки с частотой более 20 тысяч колебаний в секунду. Наивысшая частота звуков летучих мышей достигает ста тысяч колебаний в секунду. Отражаясь от различных препятствий, эти звуки достигают ушей животных и помогают им ориентироваться в полной темноте.
Почему мыши применяют для этого именно ультразвук, а не звуки обычные? Все дело в длине волны. Она равна скорости звука в данной среде, деленной на его частоту. Подсчитав, получаем, что летучие мыши испускают звуки с длиной волны от 3,3 до 16,5 мм. Столь короткие волны способны отражаться от самых мелких бабочек и мошек, составляющих меню этих животных.
Звук, как и свет, — явление волновое. Поэтому для звука, как и для света, можно использовать зеркала, призмы и линзы.
Собиратели птичьего пения, например, пользуются вогнутым металлическим зеркалом, в фокусе которого устанавливают микрофон. Устройство позволяет собрать в пучок и выделить звук голоса единственной нужной птицы из целой стаи.
Аналогичные приборы применяются и в военном деле (рис. 1). Но из-за большой длины звуковых волн размеры устройств, собирающих звуки, получаются большими.
Несравненно лучше удается это с коротковолновым ультразвуком. В воде ультразвук можно собирать и рассеивать при помощи линз из обычного оргстекла, похожих по форме на оптические линзы.
В годы Первой мировой войны французский ученый Поль Ланжевен создал прибор для обнаружения подводных лодок при помощи ультразвука. Его излучала пластинка с двумя посеребренными гранями, особым образом вырезанная из кристалла кварца. Когда к этим граням прикладывали переменное напряжение высокой частоты, возникал пьезоэлектрический эффект. Пластина начинала колебаться, сжимаясь и разжимаясь по толщине.
С ее помощью в воде удавалось получить звуки с длиной волны в несколько мм. Пучок ультразвуковых волн, отразившись от подводной лодки, возвращался и попадал на другую такую пластину, заставляя ее колебаться. На ее посеребренных гранях возникало переменное напряжение, которое регистрировалось после усиления.
Обработать нужным образом кристалл кварца, да еще и посеребрить его торцы было бы сложно. Поэтому для опыта лучше использовать так называемый магнитострикционный эффект. Заключается он в том, что под действием изменения величины магнитного поля, направленного вдоль ферритового стержня, стержень меняет свою длину. Простейший излучатель ультразвука можно получить из стержня длиною 110–120 мм. Основная частота его механического резонанса примерно 23 кГц, что соответствует длине волны звука в воде — 60 мм. Этого достаточно для демонстрации; правда, предметы с размером меньше половины длины волны (30 мм) различить не удастся.
Если на ферритовый стержень в один слой виток к витку намотать до заполнения обмотку проводом ПЭЛ-0,8 и пропустить по ней ток от низкоомного выхода звукового генератора, то колебания стержня с собственной резонансной частотой (23 кГц) начнутся при частоте тока 11,5 кГц. Это объясняется тем, что удлинение стержня зависит только от амплитуды магнитного поля катушки, а не от его полярности. Амплитуда же переменного тока за один период возрастает дважды.
Определить момент настройки на резонанс можно следующим образом. Поставьте стержень вертикально и на верхний его торец нанесите каплю воды. В момент резонанса капля как бы взорвется.
Следует учесть, что колеблющиеся в воздухе ферритовые стержни могут быстро разрушаться. Поэтому при подготовке к опыту не следует подавать на стержень полное напряжение генератора.
Обмотку и подходящие к ней провода (но не торцы стержня!) следует тщательно изолировать от влаги. Звуковой генератор должен быть заземлен, и вообще приняты меры повышенной электробезопасности.
Схема опыта — его еще полвека назад поставил профессор Н.А. Соколов — изображена на рисунке 2.
Предмет, лежащий на дне аквариума, облучали ультразвуком. Здесь же, под водой, ставили линзу из оргстекла так, чтобы она дала звуковое изображение предмета на поверхности воды.
При косом освещении рябь на поверхности четко обрисовывает лежащий на дне предмет. Линзы можно точить на токарном станке при помощи грубого напильника. На качество изображения это не повлияет, так как размеры неровности поверхности в любом случае будут много меньше длины волны.
Опыт удобно вести в большом аквариуме или в детском надувном бассейне.
Более подробно о получении ультразвука с помощью ферритового стержня можно прочесть в книге В.В.Майера «Кумулятивный эффект в простых опытах». М., 1989. Успехов вам!
М. БАРАШКОВ
Рисунки автора