Звук и ультразвук в учебных исследованиях

В.В. МАЙЕР, Е.И. ВАРАКСИНА

2012

ЗВУК И УЛЬТРАЗВУК
В УЧЕБНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ

В.В. Майер, Е.И. Вараксина
Звук и ультразвук в учебных исследованиях: Учебное  пособие /
В.В. Майер, Е.И. Вараксина – 2е изд. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. – 336 с.
ISBN 9785915591287

Книга содержит описания учебных исследований, относящихся к физике упругих волн, которые рекомендуются для самостоятельного выполнения учащимися старших классов. Предлагаются приборы для получения звука высокой и ультразвука низкой частоты. Подробно рассмотрены физические
явления линейной и нелинейной ультраакустики, практическое применение
ультразвука. Все опыты доступны и могут быть поставлены в школьном физическом кабинете или в домашних условиях. Проводя небольшие экспериментальные исследования, читатель познакомится с интересными и практически важными явлениями физики упругих волн, приобретет навыки
самостоятельной работы.

Для преподавателей физики средней и высшей школы, руководителей элективных курсов, физических и технических кружков, а также для лиц, занимающихся самообразованием.

                         © 2011, В.В. Майер,  Е.И. Вараксина
                          © 2012, ООО «Издательский Дом
                                «Интеллект», оригиналмакет,
                                оформление

ISBN 9785915591287

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10

Г л а в а 1. УПРУГИЕ ВОЛНЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.1. Упругие волны в природе, науке, технике, технологии, медицине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.1.1. Частотные диапазоны упругих волн (13).
1.1.2. Инфразвуковые волны (14).
1.1.3. Звук (15).
1.1.4. Ультразвук (16).
1.1.5. Гиперзвук (21).
1.2. Механические источники упругих волн . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.2.1. Колебания стержней (22).
1.2.2. Автоколебания стержня (22). 1.2.3. Губной свисток (26). 1.2.4. Газоструйные и гидродинамические излучатели (27). 1.2.5. Акустическая сирена (28).
1.3. Термические источники упругих волн . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.3.1. Электроразрядные излучатели (30).
1.3.2. Тепловой автогенератор звука (30).
1.3.3. Элементарная теория теплового автогенератора (32).
1.3.4. Обратная связь в тепловом автогенераторе (34).
1.4. Электромеханические преобразователи упругих волн . . . . . .
35
1.4.1. Электростатические преобразователи (36).
1.4.2. Электромагнитные
преобразователи (36).
1.4.3. Электродинамические
преобразователи (37).
1.4.4. Пьезоэлектрические преобразователи (38). 1.4.5. Магнитострикционные преобразователи (39).

Г л а в а 2. ГАРМОНИЧЕСКИЕ УПРУГИЕ ВОЛНЫ . . . . . . .
40
2.1. Гармоническая упругая волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
2.1.1. Гармонические
колебания
и
их
характеристики
(40).
2.1.2. Поперечные и продольные упругие волны (41). 2.1.3. Уравнение
гармонической
волны (43).
2.1.4. Фазовая
скорость
волны (45).
2.1.5. Физическая модель бегущей гармонической
волны (46).
2.1.6. Компьютерная модель бегущей гармонической
волны (49).
2.2. Величины, характеризующие упругую волну . . . . . . . . . . . .
52
2.2.1. Смещение, скорость и ускорение в гармонической волне (52).
2.2.2. Давление в гармонической волне (53).
2.2.3. Деформация в гармонической волне (54).
2.2.4. Энергия волны (55).
2.2.5. Интенсивность волны (58).
2.2.6. Волновое сопротивление
среды (59). 2.2.7. Затухание волны (59).
2.3. Экспериментальное исследование упругой волны в воздухе .
60
2.3.1. Доказательство волновой природы звука (61). 2.3.2. Осциллограмма звуковой волны (62).
2.3.3. Индикатор интенсивности
звука
(63).
2.3.4. Индикация
фазы
звуковой
волны
(64).
2.3.5. Экспериментальная
установка (65).
2.3.6. Экспериментальное
обоснование
существования
гармонической
звуковой
волны (66).

Г л а в а
3. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ
ИЗЛУЧАТЕЛЬ
УПРУГОЙ ВОЛНЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
3.1. Прямой магнитострикционный эффект . . . . . . . . . . . . . . . .
70

Оглавление

3.1.1. Явление магнитострикции (70). 3.1.2. Наблюдение прямого
магнитострикционного эффекта (72). 3.1.3. Исследование прямого
магнитострикционного
эффекта
методом
поворота
иглы (75).
3.1.4.
Количественное
исследование
магнитострикции
(77).
3.1.5. Использование
прямого
магнитострикционного
эффекта
для получения упругой волны (78).
3.2. Обратный магнитострикционный эффект . . . . . . . . . . . . . . .
79
3.2.1. Обнаружение
обратного
магнитострикционного
эффекта (79). 3.2.2. Осциллограмма упругих колебаний стержня (80).
3.3. Магнитострикционный излучатель ультразвука низкой частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
3.3.1. Промышленные
магнитострикционные
излучатели
(81).
3.3.2. Подмагничивание вибратора магнитострикционного излучателя (83).
3.3.3. Ферритовый вибратор магнитострикционного
излучателя (84).
3.3.4. Конструкция учебного излучателя (85).
3.3.5. Технология
изготовления
излучателя (86).
3.3.6. Магнитострикционный излучатель низкой частоты для школьного
физического
кабинета
(88).
3.3.7. Проверка
излучателя
в
работе (90).
3.3.8. Подмагничивание
вибратора
постоянным
током (91).

Г л а в а 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93

4.1. Элементы электронного генератора на транзисторах . . . . . .
93
4.1.1. Колебательный контур (93).
4.1.2. Автоколебательная система (94). 4.1.3. Транзистор в качестве ключа (95). 4.1.4. Транзисторные усилители (96). 4.1.5. Обратная связь (97).
4.2. Мощный ультразвуковой генератор . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
4.2.1. Принципиальная схема ультразвукового генератора (99).
4.2.2. Изготовление ультразвукового генератора (100).
4.2.3. Налаживание ультразвукового генератора (101).
4.3. Учебный ультразвуковой генератор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.1. Принцип действия учебного генератора (102).
4.3.2. Конструкция ультразвукового генератора (103). 4.3.3. Технология изготовления прибора (104). 4.3.4. Налаживание и проверка генератора в работе (106).
4.4. Получение ультразвука средней частоты . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.1. Частотный
диапазон
ультразвукового
генератора (107).
4.4.2.
Ультразвуковой
генератор
средней
частоты
(108).
4.4.3. Магнитострикционные излучатели ультразвука на частоту
до
50
кГц (109).
4.4.4. Магнитострикционные
излучатели
ультразвука средней частоты (110).
4.5. Ультразвуковой генератор на современной элементной базе . 111
4.5.1. Таймер в качестве задающего генератора (112).
4.5.2. Усилитель мощности на полевом транзисторе (113). 4.5.3. Ультразвуковой генератор (114). 4.5.4. Cовершенствование ультразвукового
генератора (115).

Оглавление
5

Г л а в а
5. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1. Собственные колебания стержня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.1. Возбуждение колебаний стержня ударом (117).
5.1.2. Стоячая волна в стержне (119).
5.1.3. Собственные частоты стержня (121).
5.2. Резонансное возбуждение вибратора магнитострикционного
излучателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.1. Явление резонанса (122).
5.2.2. Стоячая волна в вибраторе (123).
5.2.3. Механические напряжения в вибраторе (125).
5.2.4. Почему второй торец вибратора должен быть сухим (126).
5.3. Упругие характеристики материала вибратора . . . . . . . . . . . 127
5.3.1. Скорость
импульса
сжатия
в
твердом
стержне (127).
5.3.2. Экспериментальное
определение
упругих
характеристик
материала вибратора (129).
5.4. Амплитуда колебаний вибратора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.1. Шарик, скачущий на вибраторе (131).
5.4.2. Оценка амплитуды колебаний вибратора по высоте подскока стального шарика (131). 5.4.3. Экспериментальная оценка амплитуды колебаний
вибратора (134).
5.4.4. Оценка амплитуды колебаний вибратора
посредством ультразвукового движителя (135).
5.4.5. Измерение
амплитуды колебаний вибратора с помощью микроскопа (137).
5.4.6. Оценка амплитуды колебаний вибратора по значению усталостной прочности (140).
5.5. Излучение упругой волны колеблющимся вибратором . . . . . 143
5.5.1. Вынужденные колебания и резонанс (143).
5.5.2. Добротность колебательной системы (146).
5.5.3. Энергия колебаний
вибратора (148). 5.5.4. Излучение упругой волны (149).

Г л а в а
6. ЛИНЕЙНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1. Нелинейные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1.1. Линейная
акустика (151).
6.1.2. Нелинейная
акустика (152).
6.1.3. Нелинейное взаимодействие упругих волн (152).
6.1.4. Искажение формы ультразвуковой волны (153). 6.1.5. Нелинейное поглощение упругих волн (155).
6.2. Абсолютное измерение интенсивности . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.1. Измерения колебательной скорости и интенсивности (156).
6.2.2. Качественное исследование диска Рэлея (157).
6.2.3. Стоячая волна в воздухе и диск Рэлея (159).
6.3. Ориентирующее действие ультразвука . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3.1. Диск Рэлея в жидкости (160).
6.3.2. Ориентация взвешенных в жидкости чешуек (160). 6.3.3. Акустический контакт (162).
6.3.4. Просветление мутной жидкости (162).
6.4. Акустический ветер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Оглавление

6.4.1. Ультразвуковой ветер в воздухе (164). 6.4.2. Ультразвуковой
ветер в жидкости (164). 6.4.3. Зависимость ультразвукового ветра
от частоты (166). 6.4.4. Качественное объяснение ультразвукового
ветра (166).
6.5. Силы, действующие на тела в поле упругой волны . . . . . . . 167
6.5.1. Притяжение
предмета
к
вибратору
излучателя
(167).
6.5.2. Взаимодействие тел в ультразвуковом поле (168).

Г л а в а 7.
ДАВЛЕНИЕ УПРУГИХ ВОЛН . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.1. Радиационное давление упругой волны . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.1.1. Радиационное давление волны (171).
7.1.2. Элементарная
теория радиационного давления (172). 7.1.3. Обнаружение радиационного давления (173).
7.2. Ультразвуковые радиометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.2.1. Радиационное давление в газе (174). 7.2.2. Исключение влияния ультразвукового ветра (175). 7.2.3. Радиационное давление в
жидкости (176). 7.2.4. Простейший радиометр (178). 7.2.5. Радиационное давление в трубке (180).
7.3. Ультразвуковой фонтан . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.3.1. Ультразвуковой фонтан (181).
7.3.2. Гигантский ультразвуковой фонтан на низкой частоте (182). 7.3.3. Отражение и прохождение волны на границе раздела сред (183). 7.3.4. Ультразвуковой
фонтан на границе раздела жидкостей (185).
7.3.5. Ультразвуковой фонтан наоборот (185).
7.3.6. Ультразвуковые фонтаны на
высоких частотах (186).

Г л а в а 8. СТОЯЧАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОЛНА В ВОЗДУХЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

8.1. Метод Кундта визуализации стоячей волны . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.1. Опыты Кундта (189). 8.1.2. Действие ультразвука на легкий
сыпучий порошок (191).
8.1.3. Визуализация стоячей ультразвуковой волны методом Кундта (192). 8.1.4. Распределение порошка
в стоячей волне (194).
8.1.5. Модулированная стоячая волна в
трубке Кундта (194).
8.2. Измерение скорости звука в воздухе и в газах . . . . . . . . . . 196
8.2.1. Измерение скорости ультразвука (196). 8.2.2. Исследование
зависимости скорости звука от частоты (197).
8.2.3. Наблюдение
влияния ультразвукового ветра (197).
8.2.4. Отражение звука от
твердого плоского отражателя (198).
8.2.5. Отражение звука от
открытого конца трубки Кундта (198).
8.3. Визуализация стоячей волны в воздухе слоем жидкости . . . 200
8.3.1. Распределение
жидкости
в
поле
стоячей
волны (201).
8.3.2. Демонстрация стоячей волны, визуализированной жидкостью (201). 8.3.3. Оптический метод измерения расстояний между
пучностями стоячей волны (203). 8.3.4. Перегородки из жидкости
в трубке Кундта (204).

Оглавление
7

Г л а в а 9. СТОЯЧАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОЛНА В ЖИДКОСТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

9.1. Визуализация стоячей волны методом ориентации взвешенных в жидкости частиц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
9.1.1. Стоячая волна в стеклянной трубке (207). 9.1.2. Особенности эксперимента (208).
9.1.3. Демонстрационный вариант эксперимента (208).
9.1.4. Измерение скорости ультразвука (210).
9.1.5. Стоячая волна в стеклянной пробирке (210).
9.2. Визуализация стоячей волны методом коагуляции взвешенных в жидкости частиц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.2.1. Визуализация стоячей волны суспензией крахмала в воде (214).
9.2.2. Области коагуляции суспензии крахмала в воде (215). 9.2.3. Визуализация стоячей волны эмульсией керосина
в воде (215).
9.2.4. Зависимость коагуляции взвешенных в жидкости частиц от их плотности (217).
9.2.5. Измерение скорости
звука в воде (218). 9.2.6. Акустический волновод (218).
9.3. Ультразвуковой интерферометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.3.1. Модель ультразвукового интерферометра (219). 9.3.2. Реакция излучателя (220). 9.3.3. Схема компенсации (222). 9.3.4. Работа с ультразвуковым интерферометром (223).
9.3.5. Мостовая
схема компенсации (225).
9.3.6. Зависимость скорости звука в
жидкости от частоты (227).

Г л а в а 10. УПРУГАЯ ВОЛНА В ПЛАСТИНКЕ . . . . . . . . . . 228

10.1. Упругие волны в твердом теле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.1.1. Виды деформаций в упругих средах (228).
10.1.2. Продольная волна в твердом теле (229).
10.1.3. Поперечная волна
в твердом теле (230).
10.1.4. Поверхностные волны в твердых
телах (231).
10.1.5. Упругая волна в твердой пластинке (231).
10.1.6. Изгибная волна в твердой пластинке (232).
10.2. Фигуры Хладни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
10.2.1. Хладниевы фигуры на круглой изотропной пластинке (233).
10.2.2. Хладниевы фигуры на анизотропной круглой пластинке (235).
10.2.3. Фигуры Хладни на пластинках произвольной
формы (236).
10.3. Дисперсия изгибных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.3.1. Явление дисперсии изгибных волн (237). 10.3.2. Экспериментальное исследование дисперсии изгибных волн (237).
10.4. Поверхности равных фаз изгибных волн . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.4.1. Волны на бумаге (239).
10.4.2. Цикл научного познания (240). 10.4.3. Учебная физическая теория (242). 10.4.4. Учебный физический эксперимент (247).
10.5. Стоячая волна в стеклянном сосуде. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.5.1. Cтоячая волна в стеклянном стакане (250). 10.5.2. Стоячая
волна в стенках стеклянной колбы (250).

Оглавление

Г л а в а
11. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДРУГИЕ ВОЛНОВЫЕ
ЯВЛЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.1. Интерференция изгибных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.1.1. Интерференция волн от двух реальных источников (254).
11.1.2. Интерференция
круговых
волн (255).
11.1.3. Экспериментальное
обоснование
теории
интерференции
круговых
волн (258).
11.1.4. Интерференция при отражении от прямого
края
листа
(259).
11.1.5. Количественное
подтверждение
теории (260).
11.2. Интерференция при отражении волны от круглого края пластинки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.2.1. Интерференция при отражении от выпуклого и вогнутого
краев листа (263).
11.3. Фокусировка волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
11.3.1. Получение
действительного
изображения
в
круглом
крае (266).
11.3.2. Отражение
от
эллиптической
поверхности (268).
11.3.3. Отражение
от
параболической
поверхности (271).
11.4. Некоторые волновые явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.4.1. Преломление изгибной волны (273). 11.4.2. Рассеяние волны (274). 11.4.3. Распространение волны в волноводе (275).

Г л а в а 12. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ . . . . . . . . . . . 276
12.1. Физическая сущность ультразвуковой кавитации . . . . . . . . . 276
12.1.1. Получение кавитационной полости (276). 12.1.2. Гидродинамический удар (277). 12.1.3. Наблюдение ультразвуковой кавитации (278). 12.1.4. Разрушающее действие ультразвуковой кавитации (280). 12.1.5. Причина ультразвуковой кавитации (281).
12.2. Звукокапиллярный эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
12.2.1. Аномальное
поднятие
жидкости
в
капилляре
(282).
12.2.2.
Экспериментальное
исследование
звукокапиллярного
эффекта (283).
12.2.3. Элементарная теория звукокапиллярного
эффекта (284).
12.2.4. Экспериментальная проверка следствий
теоретической модели (285).
12.3. Явление сонолюминесценции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.3.1. Обнаружение сонолюминесценции (288).
12.3.2. Способы
наблюдения сонолюминесценции (288). 12.3.3. Зависимость сонолюминесценции глицерина от температуры (289).

Г л а в а
13. ПРАКТИЧЕСКОЕ
ПРИМЕНЕНИЕ
УЛЬТРАЗВУКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.1. Максимальная интенсивность ультразвука от ферритового
вибратора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.1.1. Предельная интенсивность ультразвука (291). 13.1.2. Ультразвуковой концентратор (293).
13.2. Ультразвуковое диспергирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

Оглавление
9

13.2.1. Образование аэрозолей (294).
13.2.2. Причина ультразвукового распыления жидкостей (296). 13.2.3. Образование горючей
смеси (297).
13.2.4. Использование ультразвука для получения
эмульсий (298). 13.2.5. Образование суспензий (300).
13.3. Ультразвуковая коагуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.3.1. Ультразвуковая коагуляция гидрозолей (301).
13.3.2. Ультразвуковая дегазация (303).
13.4. Ультразвуковая очистка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
13.4.1. Использование ультразвука для очистки (305). 13.4.2. Экспериментальное исследование ультразвуковой очистки (306).
13.5. Использование ультразвука в электрохимии . . . . . . . . . . . . 308
13.5.1. Воздействие ультразвука на электролиз (308).
13.5.2. Дегазация электролита (309). 13.5.3. Электролитическое осаждение
металла (309).
13.6. Ультразвуковая пайка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.6.1. Залуживание и пайка алюминия (312).
13.6.2. Залуживание стекла и керамики (314).
13.7. Обработка твердых и хрупких материалов . . . . . . . . . . . . . . 314
13.7.1. Ультразвуковой сверлильный станок (315).
13.7.2. Модель
ультразвукового сверлильного станка (316).
13.7.3. Ультразвуковое сверление стекла (319).
13.8. Ультразвуковая сварка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
13.8.1. Ультразвуковой сварочный станок (320).
13.8.2. Экспериментальное исследование ультразвуковой сварки (321).
13.9. Использование ультразвука в металлургии . . . . . . . . . . . . . 323
13.9.1. Влияние ультразвука на кристаллизацию (323). 13.9.2. Исследование кристаллизации под действием ультразвука (324).
13.10. Применение ультразвука в медицине . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

Предисловие

Свет, который испускают Cолнце, звезды, осветительные приборы, и благодаря которому мы видим весь окружающий нас мир;
сигналы, переносящие теле– и радиопередачи, осуществляющие
беcпроводную телефонную и компьютерную связь; звуки, которые
нас окружают: пение, свист, шелест, скрип, звон, шорох, стук;
гребни, распространяющиеся по поверхности воды при движении
судна или при падении в воду камня; а иногда — передвижение
разрушительных возмущений в земной коре, к которым приводят
подземные перемещения, — все это волны!
Электромагнитная волна представляет собой процесс распространения в пространстве переменных электрического и магнитного
полей, которые взаимно порождают друг друга. Скорость электромагнитной волны огромна и предельна для реальных физических
процессов. Электромагнитную природу имеют свет, радиоволны,
рентгеновские лучи. С ними связано множество интересных явлений: радуга, мираж, венцы вокруг Луны или фонарей в туманную
погоду, голубой цвет неба, интерференционная окраска тонких пленок, радиоизлучение космических объектов, проникновение рентгеновских лучей через непрозрачные тела и т.д. Для существования
электромагнитной волны не нужно никакой особой среды.
Но мы живем на дне воздушного океана и для нас жизненно необходимы не только электромагнитные, но и механические
упругие волны. Для их распространения необходима газообразная,
жидкая или твердая среда. Упругие волны, которые непосредственно воспринимаются нашим органом слуха, называются звуковыми.
В экспериментальных исследованиях мы будем использовать в основном ультразвуковые упругие волны, частота которых несколько
превышает верхний порог слышимости человека.
В конце XIX века о существовании ультразвука могли разве лишь догадываться наиболее проницательные исследователи.
Но уже опыты П. Н. Лебедева (1910 г.), а затем и П. Ланжевена
(1918 г.) показали большое научное и практическое значение ультразвука. С тех пор ультраакустика развивается удивительно быстрыми темпами, так что многие явления, бывшие всего полвека
назад предметом специальных исследований ученых, в настоящее
время широко используются в самых различных областях науки и
техники.

Предисловие
11

Современный школьник просто не может не знать хотя бы
простейших свойств ультразвука. И дело здесь не только в той
роли, которую ультразвук играет в науке и технике. Гораздо важнее
то, что ультразвуковые колебания и волны позволяют достаточно
глубоко изучить общие черты всякого колебательного и волнового
процесса, а это уже без преувеличений означает, в известной степени, усвоить дух современной физики.
Ультраакустика интересна еще и тем, что многие эксперименты,
которые несколько десятков лет назад ставили ученые, используя
сложную научную аппаратуру, в настоящее время можно воспроизвести на простеньких приборах у себя дома или в школьном
физическом кабинете. Таким образом, каждый из вас имеет возможность развить в себе элементарные навыки творческой работы
физика–экспериментатора. Важность этого не требует особых пояснений. Достаточно отметить, что ни на уроках физики, ни на
занятиях разнообразных кружков вы, как правило, систематически
не учитесь физическому эксперименту.
В книге, которую вы держите в своих руках, описаны простые
приборы, обеспечивающие получение упругих волн в диапазоне
частот от 15 кГц до 150 кГц, и рассмотрены учебные исследования явлений, относящихся к физике упругих волн. Рекомендуемые
приборы и установки настолько просты, что любой из вас, кто умеет обращаться с обычными инструментами и материалами, может
изготовить их буквально за считанные дни.
Несколько иначе дело обстоит с опытами. Во–первых, описания
части опытов даны в расчете на то, что вы сможете использовать
оборудование, имеющееся в школьном физическом кабинете. Этого
требует логика изложения материала, и поэтому не будет большой
беды, если такие опыты будут поставлены позднее, после изготовления самодельных приборов.
Во–вторых, — и это существеннее — поставить опыт, вообще говоря, сложнее, чем изготовить какой–либо прибор. Вначале может
показаться, что главное — это сделать ультразвуковой генератор.
Конечно, без генератора невозможно выполнить ни один опыт с ультразвуком. Однако успешное изготовление этого прибора является
лишь началом работы. Вы очень скоро прочувствуете сказанное,
перейдя от простейших опытов к тем, которые немного посложнее.
Чтобы несколько облегчить экспериментальную работу, авторы стремились изложить условия опытов как можно точнее. Но
каждый из вас будет действовать в конкретных ситуациях, все
многообразие которых предусмотреть просто невозможно. Поэтому
почти наверняка можно утверждать, что с первого раза многие из
опытов у вас могут и не получиться.
Возможно, это и к лучшему, так как позволит вам остаться один
на один с физическим явлением, почувствовать себя эксперимента

Предисловие

тором, проводящим настоящее исследование. Смелее экспериментируйте! Учитесь преодолевать все трудности на своем пути, и вы
познаете ни с чем не сравнимое чувство общения с самой Природой.
Но смелость не значит бездумность. Вряд ли хорош «экспериментатор», без разбору сливающий в пробирку разные жидкости,
чтобы посмотреть, что из этого получится. Может быть, из этого
что–нибудь и выйдет, но получится ли из такого «экспериментатора» исследователь, сказать трудно.
Будет очень хорошо, если вы заведете себе файл, в который
самым тщательным образом станете заносить условия и результаты
каждого опыта. Это отучит вас от беспорядочного «экспериментирования». Вы почувствуете, как с каждым новым опытом растет ваше
знание предмета. Вы сумеете планировать дальнейший эксперимент, предугадывать его результаты, сопоставлять и анализировать
опыты. Вы поймете причины многих ваших ошибок и неудач. Одним
словом, вы с лихвой окупите то время, которое потратите на записи.
Экспериментальные исследования лучше всего начать с изготовления низкочастотного магнитострикционного излучателя и одного
из электронных генераторов для его возбуждения. После этого,
листая книгу, нужно выбирать те явления, которые вызывают наибольший интерес, и исследовать именно их. В этом вам помогут
многочисленные иллюстрации, по которым можно быстро составить
представление о характере предлагаемых учебных исследований.
В заключение следует отметить, что на возможности магнитострикционных излучателей с ферритовыми вибраторами обратил внимание одного из авторов А. Р. Геннинг. В экспериментальной работе большую помощь оказали Е. С. Агафонова (Мамаева), Р. В. Акатов, Ф. Ф. Вавилова, Л. С. Кропачева, Р. В. Майер,
Н. В. Назаров, А. С. Рудин, Р.–Э. Е .Шафир, В.–Э. Г. Хохловкин. Более трехсот студентов нескольких педагогических вузов проверили выполнимость предлагаемых в книге учебных исследований.
Многие учителя физики приложили немало усилий, чтобы вместе
со школьниками повторить описанные ниже приборы и опыты.
Всем им, без чьего труда и доброжелательной поддержки было бы
невозможно написание книги, авторы выражают глубокую благодарность.

Г л а в а 1

УПРУГИЕ ВОЛНЫ

Человек живет в мире упругих волн. Некоторые из них он
слышит, другие — вообще не воспринимает органом слуха. Но и
слышимые, и неслышимые упругие волны играют важную роль
в жизни человека. Мы начнем с того, что разберемся, что такое
упругие волны, выясним, какие упругие волны бывают в природе,
познакомимся с тем, как они используются в различных областях
деятельности человека, и затем кратко рассмотрим наиболее значимые методы получения упругих волн.

1.1. Упругие волны в природе, науке, технике,
технологии, медицине

Существующие в природе упругие волны различаются в первую
очередь по частоте и интенсивности. Здесь вы познакомитесь с
физическими особенностями и использованием на практике упругих
волн разных частотных диапазонов и различных интенсивностей.
Особое внимание будет уделено волнам ультразвукового диапазона,
поскольку именно они получили наиболее широкое практическое
применение и представляют для начинающих наибольший интерес.

1.1.1. Частотные диапазоны упругих волн. Любая волна — это
распространение возмущения в той или иной среде, при котором
происходит перенос энергии, а не вещества.
Механические волны подразделяют в зависимости от того, какие силы восстанавливают невозмущенное состояние среды. Механические волны на поверхности жидкости бывают двух видов:
гравитационные, то есть такие, в которых равновесие после возмущения в поверхности жидкости восстанавливается за счет силы
тяжести; и капиллярные — в них равновесие восстанавливают силы
поверхностного натяжения. В механической упругой волне равновесие после возмущения среды восстанавливается за счет упругих
сил, которые возникают в среде при распространении сжатий и
разрежений.
Упругие волны иначе называют звуковыми: это название подчеркивает, что хотя слышимый человеком звук занимает сравнительно
узкий диапазон частот, физическая сущность упругих волн едина.
Упругие волны делят по частоте: до 20 Гц — инфразвуковые, от 20

Гл. 1. Упругие волны

ШУЛЕЙКИН Василий Владимирович (1895–1979). Советский геофизик. Основные труды ученого посвящены теории
взаимодействия Мирового океана, атмосферы и материков,
теории ветровых волн, морских течений, тропических ураганов. Исследовал акустику моря. Изучил явление, получившее название голоса моря, и показал что оно вызывается
инфразвуковыми упругими волнами, распространяющимися
над морской водой в воздухе. Один из основоположников
советской школы физики моря.

до 20·103 Гц — звуковые в узком смысле этого слова или слышимый звук, от 20·103 до 109 Гц — ультразвуковые и выше (до
1012 − 1013 Гц) — гиперзвуковые волны.

1.1.2. Инфразвуковые волны. Чаще всего инфразвуковые колебания возникают при разбивании потоков воздуха различными
препятствиями, за счет взаимодействия ветра с морскими волнами,
электрических разрядов, взрывов, смещений земной коры.
Низкочастотные инфразвуковые упругие волны естественного
происхождения были обнаружены и исследованы в нашей стране
в 20–х годах прошлого века. Мощные инфразвуки появлялись
на берегу моря перед штормом. Выяснилось, что причиной этого
«голоса моря» является ураган.
Исследованиями инфразвуковых волн занимались советские ученые В. В. Шулейкин и В. А. Березкин, Н. Н. Андреев, Л. М. Бреховских, французский исследователь Гавро, американский физик Роберт
Вуд.
Человеческие органы слуха не воспринимают инфразвуки. Однако инфразвук может оказывать весьма заметное действие на
организм. Известны случаи, когда «голос моря» приводил к гибели
или бесследному исчезновению целых экипажей кораблей.
Исследования физиологического действия инфразвука показали,
что волны большой интенсивности вызывают у живых организмов
чувство беспокойства, страха и ужаса. Действие мощного инфразвука приводит не только к возникновению негативных эмоций,
но и может стать причиной плохого самочувствия, болезненных
ощущений в организме. Особенно опасными являются волны частотой порядка 7 Гц, которые, как установлено Гавро, при большой
интенсивности могут быть смертельны. Инфразвук приводит к нарушению зрения и равновесия организма.
Объясняется такое действие инфразвука резонансом: при совпадении частоты инфразвуковой волны с основной собственной частотой колебаний внутреннего органа, вследствие резонанса резко
увеличивается амплитуда колебаний этого органа. Интенсивные

1.1. Упругие волны в природе, науке, технике, технологии, медицине
15

АНДРЕЕВ Николай Николаевич (1880–1970). Советский физик. Основные исследования выполнены в области гидроакустики, архитектурной, биологической и нелинейной акустики.
Теоретически исследовал распространение звука в движущихся средах и вдоль поглощающих поверхностей, акустические фильтры, звуковые волны конечной амплитуды, спектры затухающих колебаний, колебания кристаллических и
анизотропных сред, явления нелинейной акустики, проблемы
реверберации звука и звукоизоляции. Создал научную школу
в области физической и технической акустики.

вибрации жизненно важных органов приводят к болезненному состоянию, а иногда и к гибели всего организма.
Инфразвуковые волны возникают не только в результате природных явлений. Их источниками являются, например, многие виды
транспорта: грузовые и легковые автомобили, движущиеся с большой скоростью, самолеты, вертолеты, ракеты и т. д.
Знание условий возбуждения и свойств инфразвука обеспечило
его практическое применение. Например, в медицине маломощные
инфразвуковые колебания используются для удаления из организма
человека камней, которые образуются при ряде заболеваний. Регистрация инфразвуковых волн является одним из надежных методов
прогнозирования землетрясений, цунами, ураганов и других природных бедствий, поскольку инфразвук распространяется в атмосфере, океане и земной коре с большой скоростью. Существуют и
совершенно неожиданные применения инфразвука: скажем, создан
инфразвуковой измеритель объема, используемый в затруднительных для других методов условиях.

1.1.3. Звук.
Из упругих волн разных частотных диапазонов
звук нам наиболее близок, поскольку играет первостепенную роль в
нашей повседневной жизни, является средством общения, передачи
информации и т. д. Значимость звука для человека трудно переоценить: специальные исследования показали, что по слуховому каналу в мозг человека может поступать такой же объем информации,
как по зрительному.
Наука о звуке называется акустикой. Помимо общих вопросов
получения и распространения звука, она изучает много интересных
проблем, связанных со звуком. Музыкальная акустика рассматривает музыкальные звуки. Акустика помещений (архитектурная
акустика) исследует особенности распространения звуковых волн
в помещениях, имеющих различные размеры, форму, акустические
свойства стен и мебели. Гидроакустика и атмосферная акустика
изучают звуковые волны в гидросфере и атмосфере. Предметом
изучения физиологической акустики являются органы речи и слуха
человека. Биологическая акустика рассматривает действие звука на

Гл. 1. Упругие волны

БРЕХОВСКИХ Леонид Максимович (1917). Cоветский физик. Исследовал акустические явления, распространение звуковых и электромагнитных волн в слоистых и неоднородных средах, изучил волновые поля точечных источников в
слоисто–неоднородных средах, открыл сверхдальнее распространение звука в море. Создал научную школу физической
акустики океана.

живые организмы, использование звука животными. Электроакустика занимается проблемами получения, передачи и приема звука
электрическими приборами. Физическая акустика, тесно связанная
с ультраакустикой, исследует непосредственно звуковые колебания
и волны.
Мы не будем здесь подробно останавливаться на свойствах
этого вида упругих волн, так как физика звука — весьма обширная область науки, которая должна служить темой отдельного
разговора. Кроме того, вся книга посвящена экспериментальным
исследованиям упругих волн, непосредственно примыкающих по
частоте к слышимому диапазону, то есть на протяжении всей книги
вы фактически будете исследовать самые интересные физические
свойства звуковых волн.

1.1.4. Ультразвук. Несмотря на то, что ультразвуковые волны
неслышимы (а может быть, именно благодаря этому!), они имеют
большое практическое значение. Поэтому рассмотрим их здесь несколько более подробно, основное внимание уделив ультразвуку в
природных условиях.
Ультразвук в природе. В конце XVIII века итальянский ученый
Л. Спалланцани, изучая поведение летучих мышей, обнаружил их
способность ориентироваться в темноте. Он заметил, что без зрения
летучие мыши летают и охотятся так же хорошо, как со зрением.
Ученый доказал, что обоняние, вкус, осязание не причастны к этому, а уверенный полет обеспечивает слух мышей. Если он закрывал
мыши рот или уши, она становилась совершенно беспомощной.
Тем самым он подтвердил невозможность ориентировки мышей с
закрытыми ушами, впервые установленную швейцарским биологом
Ш. Жюрином. Спалланцани не дал объяснения наблюдавшемуся
явлению. Полученные в этой области им и другими учеными результаты были отвергнуты, поскольку в то время биологи придерживались тактильной теории, согласно которой ориентация происходит
посредством осязания, а о существовании неслышимого человеком
ультразвука никто и не подозревал.

1.1. Упругие волны в природе, науке, технике, технологии, медицине
17

Впервые гипотеза об использовании летучими мышами механизма ультразвуковой эхолокации была выдвинута уже в начале XX
века.

Рис. 1.1. Импульс упругой волны, испускаемой летучей мышью

Позднее было обнаружено,
что
летучие
мыши
действительно пользуются ультразвуковыми импульсами (рис. 1.1).
Они испускают их во время
полета и улавливают отраженные различными препятствиями волны. Исследования показали,
что
голосовые связки мышей устроены таким образом, что способны издавать
звуки высокой частоты и ультразвуки.
Воздействием
ультразвука на слуховой аппарат
летучей мыши было доказано,
что он чувствителен к ультразвуку.
Сейчас особенности излучения и приема ультразвука разными видами летучих мышей детально изучены. Голосовыми связками летучая мышь может испускать ультразвуковые импульсы различной формы, продолжительности и частоты. Мыши имеют сложный слуховой аппарат, который
позволяет им определять скорость движения объекта, его объемные
характеристики. По времени возвращения отправленного сигнала
после его отражения они определяют расстояния до различных
предметов. Разрешающая способность эхолокации некоторых видов
летучих мышей довольно значительна. Каждый зверек легко может
отличить «свой» отраженный сигнал от множества других, одновременно распространяющихся в воздухе.
Слышат ультразвук также бабочки, на которых охотятся летучие
мыши. При облучении ультразвуком они прекращают движение или
улетают. Бабочки приспособлены еще и тем, что их покров плохо
отражает ультразвуковые волны. Для восприятия ультразвука они
имеют специальные органы, называемые тимпональными. Реакция
бабочек на ультразвук в настоящее время также хорошо изучена. Для успешной охоты ввиду указанных особенностей бабочек
некоторые виды летучих мышей пользуются особой тактикой: они