Когда ученые поняли, что звук — это не что иное, как колебания воздуха, им сразу же захотелось найти этому непосредственное подтверждение. В наши дни это просто: подключил микрофон к осциллографу — и смотри себе на экране во всех подробностях графическую зависимость амплитуды от времени. Раньше такой возможности не было. Но.
На первых порах применяли песок. Насыпали его в трубку и создавали в ней звук. Сначала песчинки беспорядочно прыгали. Но как только частота звука приближалась к резонансной, они выстраивались правильными рядами в узлах стоячих волн. Это, конечно, было подтверждением колебательной природы звука, но подтверждением неполным. Ряды песчинок ничего не говорили о зависимости амплитуды колебаний от времени.
В 1858 г. американский физик Д.Леконт обратил внимание на способность пламени газовой горелки реагировать на звук. Произошло это на концерте небольшого оркестра. В то время широко применялось освещение газом. Из кирпичной стены близ рояля выступали две газовые горелки. И когда зазвучала музыка, пламя одной из них начало пульсировать. Особенно это было заметно, когда раздавались сильные тона виолончели. Какова же чувствительность пламени? Она оказалась очень велика. И вы можете в этом убедиться в школьной лаборатории.
Возьмите широкую трубку, диаметром примерно 25 мм (рис. 1).
Торцы ее закройте, на концах просверлите два одинаковых отверстия диаметром 2 мм, а точно посередине между ними сделайте отвод и присоедините шланг к школьной газовой сети. Включите газ и зажгите его возле отверстий. Если трубка горизонтальна, то высота язычков пламени одинакова. Но стоит ее наклонить, и язычок пламени, оказавшийся ниже, станет длиннее, чем тот, что наверху. Объясняется это известной зависимостью атмосферного давления от высоты. Расчет показывает, что пламя здесь реагирует на давление, составляющее всего 0,00001 от давления в комнате. Столь чуткого и одновременно столь же простого прибора техника еще не знает!
С трубкой диаметром 50–80 мм и длиною около метра можно поставить другой опыт. По прямой линии просверлите вдоль нее через каждые 100 мм двухмиллиметровые отверстия, сделайте подвод для газа. Один из торцов закройте жестяной крышкой, другой — упругой резиновой пленкой. Подайте газ и зажгите его возле каждого отверстия. Появятся спокойные, одинаковые по длине язычки пламени. Приблизьте к торцу, закрытому пленкой, громкоговоритель, соединенный со звуковым генератором. Установите на нем частоту, которой соответствует длина звуковой волны, равная длине трубки. Часть звуковых волн начнет отражаться от закрытого торца трубки, возвращаться назад и складываться со звуком, приходящим от громкоговорителя. Так образуется стоячая звуковая волна. Язычки пламени вдоль всей трубки изменят свою длину (рис. 2).
Объясняется это просто. Амплитуда колебаний волны, а значит, и давление воздуха на концах трубки посередине — в узлах волны — близки к нулю. При малом давлении газа в этих точках огоньки могут даже погаснуть. Там, где амплитуда звуковой волны должна быть максимальной, максимальна и высота язычков пламени. В целом хорошо видно, что они выстраиваются по синусоиде, и это убеждает нас в правильности теории. И хотя сегодня этот факт легко подтверждается при помощи электронной аппаратуры, описанный опыт из-за его наглядности демонстрируют во многих университетских лабораториях мира. При помощи чувствительных к пламени газовых горелок в начале XX века делали даже системы оптической телефонной связи. Передатчиком служила газовая горелка, к пламени которой при помощи резиновой трубки непосредственно подводился человеческий голос (рис. 3).
Приемник — вогнутое зеркало с установленными в его фокусе селеновыми фотоэлементами, соединенными с батареей гальванических элементов и телефоном (рис. 4).
Фотоэлементы изменяли свое сопротивление в зависимости от амплитуды падающего на них света. К сожалению, газовые горелки 99,5 % своей мощности излучают в инфракрасном диапазоне, а именно к нему-то селеновые фотоэлементы почти не чувствительны. Поэтому дальность передачи получалась небольшой — десятки метров. Система за свою простоту и наглядность применялась лишь в учебных целях.
Сегодня чувствительность датчиков теплового излучения в миллионы раз выше, чем у селеновых. Этого достаточно, чтобы с прежними горелками вести связь на десятки километров, если повысить мощность горелки и усилить звук голоса.
Н. АЛЕКСАНДРОВ