«Расширение» звука: инфразвук и ультразвук

«Темно, как у кита в животе», «темно, как на дне морском»,— как часто мы в детстве слышим эти пугающие слова и верим им. Даже небольшой детский жизненный опыт убеждает нас в этом: в воде пруда, заросшей речки, в море у пляжа становится темнее, когда опускаешься на неглубокое дно, затаив на несколько секунд дыхание.

Что же тогда говорить о бездонных океанских и морских пучинах, куда не проникает ни один луч света? Ведь средняя глубина океана вдали от берега составляет 4—5 километров, а уже на глубине 100 метров в океане практически темно — лишь сине-зеленые лучи, ослабленные в тысячи раз, достигают этих слоев.

Недаром многие глубоководные рыбы обзавелись своими собственными светлячками-фонариками, чтобы освещать себе дорогу в непроглядной тьме!

В первые десятилетия нашего века ученые, которым хотелось изучить рельеф океанского дна, прибегали к помощи проволочного лота — грузика, опускаемого с корабля на тросе. Ведь свет был бессилен просверлить взглядом такую толщу воды…

Неслышимый звук

И здесь на помощь исследователям неожиданно пришел звук. Оказалось, что он распространяется в воде с довольно приличной скоростью — например, на глубине 1,5 километра в океане при температуре 8—10°С скорость звука составляет в среднем около 1500 метров в секунду. Причем с увеличением глубины скорость звука даже растет!

В 1946 году советские физики Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенберг обнаружили явление сверхдальнего распространения звука в морской воде. Ученые объяснили это удивительное явление слоистым строением океанов и морей. По мере «углубления» в океан происходит изменение солености воды, меняется показатель преломления воды. Благодаря этому отдельные слои в океане образуют подводные звуковые каналы, по которым звук низких частот может, попеременно отталкиваясь от стенок канала, распространяться в океане на многие тысячи километров. Как это похоже на путешествие светового луча по световоду!

В 1970 году во время научной экспедиции в Атлантику советские ученые, возглавляемые академиком Л. М. Бреховских, открыли существование в океане громадных, диаметром до 300— 500 километров, подводных вихрей, подобных циклонам и антициклонам в атмосфере, от которых так сильно зависит погода в различных частях земного шара.

Океан оказался совсем не таким простым и однообразным, каким его представляешь себе, когда разглядываешь залитое ровной голубой краской водное пространство на глобусе или карте земного шара. А залито ни много ни мало — целых 70\% земной поверхности!

С помощью эхолотов, посылая сильные звуковые сигналы с борта корабля и регистрируя отраженную звуковую волну, ученые смогли в удивительно короткие сроки — за два-три десятилетия — составить подробные карты рельефа океанов и морей.

Выяснилось, в частности, что почти посередине всех океанов проходят громадные горные цепи. Эти цепи-хребты возвышаются на несколько километров над средним уровнем дна океана и иногда даже поднимаются над водой. Вероятно, не все жители Азорских островов в Атлантике знают, что они живут на самом деле не на островах, а на высоких вершинах Срединно-Атлантического хребта, проходящего по дну Атлантического океана между Америкой и Африкой!

Ультразвук бесшумно, безболезненно и, главное, совершенно безвредно для организма человека помогает установить диагноз заболевания или обнаружить дефекты механизмов и машин, скрытые в толще материала.

Как и у видимых световых волн, у звука тоже нашлись невидимые близнецы-спутники: ультразвук и инфразвук. Ухо человека различает звуковые волны с частотой колебаний от 20 до 20 ООО в секунду. Мы не слышим как более частые колебания — ультразвуковые, так и более медленные — инфразвуковые.

Однако многие животные и птицы (возможно, чтобы скрыть свои передвижения от человека!) пользуются звуками, которые мы не слышим. Хорошо известен пример летучих мышей, имеющих ультразвуковой локатор: посылая и ловя отраженные от стен и веток деревьев ультразвуковые волны, летучие мыши легко огибают самые тонкие и мелкие препятствия в кромешной тьме.

Природа часто наделяет свои создания самыми неожиданными «приборами». Многие слышали о четырехглазых рыбах, но, наверное, менее известно, что, например, у кузнечика уши расположены… на его широко расставленных ногах. Это кажется нам странным, но, вероятно, такое техническое решение наиболее разумно: расположи Природа органы восприятия звука на крохотной головке кузнечика, насколько труднее было бы ему узнавать, с какой стороны приближается опасность!

Инженеры и изобретатели наших дней нашли ультразвуку и инфразвуку самые разнообразные применения. Инфразвук оказался очень удобен для дальней подводной связи, для быстрого обнаружения препятствий под водой. Ультразвук очень хорошо очищает поверхность любых кристаллов от мельчайших загрязнений, дробит руду, «видит» скрытые раковины и дефекты в металлах и сплавах, проникает сквозь ткани человеческого тела, помогает получать объемное изображение внутренних органов человека. Ультразвуку в этом «идет навстречу» само строение человеческого организма — границы между сосудами и кровью, между опухолью и нормальной тканью по-разному отражают ультразвук, позволяя заметить тонкие изменения в структуре и расположении внутренних органов. При этом ультразвук совершенно безвреден для человеческого организма.

У всевидящего рентгеновского излучения, которым все же нельзя злоупотреблять, появился друг-соперник. Ультразвуковые анализы врач может, если это покажется ему необходимым, делать без всяких последствий для здоровья больного несколько раз в день…

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.