Всю школу и универ я прошла с установкой «точные науки — не моё». Сейчас мне интересно «доучиться», закрыть пробелы в математике, химии, физике.
Школьная физика для меня — это задачи, где надо выписать дано, привести единицы измерения, записать решение и ответ. О физике с точки зрения «когда и как люди до этого дошли», я не задумывалась, пока не наткнулась на лекцию физика-теоретика Игоря Иванова «Звучащий мир: голос, ультразвук, терагерцы». Я сделала конспект его лекции.
Игорь Иванов — физик-теоретик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (Дубна).
В этот раз конспект подробный, минут на 20 чтения.
Базовые понятия звука
Звуковые колебания — это колебания той среды, в которой распространяется звук. Это по сути волны сгущения и разрежения, которые движутся вперёд, как вы видите на анимации:
У среды, скажем, у воздуха, есть средняя плотность, среднее давление. Когда в среде распространяется звуковая волна, то ее плотность и давление колеблются относительно среднего значения. Можно нарисовать график плотности, это будет периодическая кривая.
Волна заключается в том, что это кривая не просто стоит, а движется вперед во времени.
Звук, звуковые колебания — это периодический процесс, причем периодичность у него есть как и во времени, так и в пространстве. Это важная характеристика волны, а не просто колебания.
Периодичность во времени описывается с помощью периода Т, то есть через сколько времени колебания повторяются. Но удобнее периодичность описывать с помощью частоты, это обратная характеристика ко времени.
Если период составляет одну миллисекунду, то есть одну тысячную секунды, то обратная величина, частота, составляет 1000 герц или 1 килогерц, кГц, МГц и т.д. — это высокие частоты звуковых колебаний.
Периодичность в пространстве описывается длиной волны, то есть через какую дистанцию в пространстве волна повторяет сама себя. На рисунке это расстояние между двумя одинаковыми впадинами волны или одинаковыми буграми волны.
Звуковая волна в веществе может идти в разные стороны, необязательно вдоль какого-то удобного направления.
Квадрат из точек в правом углу рисунка — двухмерный кристалл, в котором есть волны сгущения и разрежения и даже изгибные волны. Всё это дело вместе по диагонали бежит вперёд.
Точки гуще — фронты сгущения, там где реже — фронты разряжения. Волна бежит перпендикулярно этим фронтам. Длина волны — это расстояние между двумя одинаковыми фазами колебания, между линиями сгущения и линиями разряжения.
Две периодичности, в пространстве и во времени, связаны друг с другом. Длина волны связана с периодом через скорость звука. Скорость волны, в данном случае, — скорость звука. Вместо периода можно поставить частоту и тогда связь получается вот такая:
λ = с T = с / f
Скорость звуковой волны практически не меняется. Она почти не зависит от частоты или длины волны, зато она зависит от среды, в которой распространяется волна.
В нормальных условиях, при обычной температуре и обычном давлении, скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/с.
В воде скорость примерно в 5 раз больше, ≈1,5 км/с. В твёрдых телах скорость может быть несколько километров в секунду.
У волн есть поляризация. Бывают продольные волны, бывают поперечные.
Продольные волны — это волны, в которых сами частички колеблются в том направлении, вдоль которого бежит волна.
Поперечные волны — это, когда частички колеблются поперек направления, вдоль которого бежит волна.
Обычный звук в воздухе или в воде — это продольный звук. А в твёрдом теле, поскольку у него есть упругость на изгиб, может распространяться звук и в виде поперечной волны, как нарисовано справа.
Это не просто поверхность кристалла, это не волна на воде, здесь нарисованы колебания частиц прямо в толще вещества. Внутри кристалла могут быть такие изгибные колебания.
Низкие частоты могут быть любые, период неограничен. Но сверху частоты ограничены характеристиками самой среды.
Если у нас есть какой-нибудь кристалл, в котором распространяется волна, она не может быть слишком короткой, у неё не может быть слишком маленькая длина волны. Справа показана ситуация с самой короткой длиной волны, которую кристалл может поддерживать:
Это ситуация, когда длина волны равна двум периодам решётки. Волна более частая, более короткая, просто не может физически существовать в таком кристалле, потому чему-то надо колебаться, хотя бы так — один вверх, другой вниз.
Минимальная длина волны, которая возможна в кристалле составляет 2 расстояния между атомами. То есть это несколько ангстрем. Ангстрем — это 10^(-10) м.
Поделив скорость звука на минимальную длину волны, мы получаем большую частоту, примерно 1013 Гц. Это много, примерно 10 терагерц. Так что есть смысл обсуждать звук в твёрдом теле с частотами вплоть до нескольких ТГц.
В воздухе ситуация другая. Там молекулы не «держатся» друг за друга, они свободно летают и иногда сталкиваются. В качестве минимальной длины волны нужно брать не расстояние между молекулами, а среднюю длину пробега для молекул в воздухе. При нормальных условиях она около сотни нанометров.
Подставив в ту же формулу это расстояние, мы получаем максимальную чистоту звука в воздухе несколько ГГц — на три порядка ниже, чем в твёрдом теле.
В сплошных телах или в жидкости у нас бывает намного более частотный, высокочастотный звук, чем в воздухе.
Даже 1 ГГц в воздухе толком не распространяется, а тут же затухает превращаясь тепловые колебания. Когда мы говорим про очень высокие частоты, про звук в воздухе говорить не очень осмысленно.
Наконец, у звука есть ещё одна очень важная вещь. Это его профиль по времени.
Звук — это более-менее периодическое колебание, оно повторяется, точно или не точно — не важно. Главное, что повторяется. Но внутри каждого периода есть профиль колебания, он может быть очень сложным.
В таком профиле закодировано всё богатство звучания голоса человека или инструментов.
Как именно наше ухо и наш мозг восстанавливает это звучание — это отдельный разговор.
Сложный профиль можно разложить на сумму простых колебания разных частот. У периодического колебания всегда есть основная частота, на основную частоту накладываются кратные частоты — двукратные, трёхкратный и так далее. И вместе они суммируясь, дают сложный профиль.
Для примера. Здесь я поигрался с программой для изучения звуков Praat:
Я записал два звука собственного голоса на одинаковой основной частоте. Это звуки «А» и «И». Частоты здесь примерно одинаковые — 150 герц. То есть в 26 миллисекунд попадает примерно 4 периода. И вы видите насколько профили отличаются.
В этом звучании закодирован как-то звук «А» и звук «И», которые мы чувствуем по-разному, воспринимаем по-разному. В этих же мелких колебаниях зашифрован тембр голоса.
Можно подумать, что основная частота очень важна для восприятия речи. На самом деле нет. Вы можете полностью вырезать основную частоту, и всё равно будете хорошо воспринимать речь человека. Так происходит, когда мы говорим шёпотом. Звуки определяются высокочастотными колебаниями внутри этого профиля.
Ранняя история акустики
В XVIII-XIX века люди научились визуализировать звук.
Изобретение фотографии было шокирующим для публики открытием, люди не думали, что можно захватить свет и зафиксировать его надолго. Зафиксировать звук кажется ещё более сложной задачей, потому что звук мы не видим.
Исследователи понимали, что звук это колебания. Похоже, человек начал исследовать звук ещё в эпоху античности.
Пифагор и его ученики интересовались звучанием музыкальных инструментов, потому что для Древней Греции музыка была важным элементом. Они выяснили, что струны, которые имеют кратные длины, производят гармоничные звуки. Это для Пифагора стало важным подтверждением, что всё в нашем мире можно свести к целым числам.
Аристотель тоже исследовал звук. Он впервые указал, что звук может распространяться не только в воздухе, но и в воде. В это время люди понимали, что есть связь между колебаниями и звуком.
Это не очевидно, когда мы слышим звук, мы не слышим пульсаций. Обычный звук — это просто звук какой-то частоты, который как-то меняется во времени, но мы не слышим сами колебания.
Леонардо да Винчи исследовал звук и убедился, что звук в воде распространяется намного дальше, чем воздухе. В 1490 году он описал опыт, что если в спокойной воде остановиться и опустить трубочку, то можно услышать звук корабля, который находится так далеко, что мы его не видим и не слышим через воздух, но можем услышать через воду.
Исследования звуковых колебаний начались в XVII веке: Френсис Бэкон, Галилео Галилей.
Первый, кто с помощью формул связал высоту звукового колебания с частотой, был Марен Мерсенн. В 1636 году он построил теорию звуковых колебаний, вывел формулу колебаний струны в зависимости от её длины и высоты. Он впервые измерил скорость звука в воздухе, она правда у него получилось чуть больше — 450 м/с.
В начале XVIII века результаты Мерсенна перепроверил и уточнил исследователь Жозеф Совёр, который ввёл термин «акустика».
Совёр говорил, что до этого люди изучали звучания музыкальных инструментов. Их интересовали звуки с точки зрения благозвучия. Жозеф Совёр считал, что есть смысл исследовать звуки сами по себе, как природное явление.
Он измерил скорость звука своим способом. Совёр достаточно точно смог сопоставить высоту ноты, которую мы слышим, с частотой колебаний. Сделал он это с помощью явления, которое называется «биение».
Когда у нас звучит какая-то нота на определенной частоте, то мы слышим «сплошное» звучание, условный писк на какой-то чистоте. Если у нас есть два источника звука на двух близких частотах, то они накладываются друг на друга, их одновременное звучание порождает интересный эффект.
Появляется не просто какая-то средняя нота, появляется звук, который становится то громче, то тише. Это и есть «биение». Нота как будто пульсирует, эти пульсации происходят медленнее, чем сами колебания и мы можем их посчитать. Так люди начали измерять частоты, которые напрямую не смогли бы измерить.
С помощью биения и разных инструментов, которые его используют, например, камертона, люди научились измерять частоты колебаний: струн, голоса.
Исследования Совёра привели к созданию серии из настроенных камертонов, которые назывались тонометры. По ним бы можно было настраивать музыкальные инструменты.
В конце XVII века было понятно, что звук — это колебания, там есть частоты, эти частоты соответствуют воспринимаемый высоте звука. Не было понятно, как именно внутри каждого периода колеблется звук, непонятно до каких частот человек может слышать.
Возникла задача не измерить частоту звучания, которую производит музыкальный инструмент, а наоборот, получить звук при заданной частоте.
В 1830 году французский физик Феликс Савар построил зубчатую машину, которая как раз решала эту задачу.
В ней было несколько колёс, рукоятка и ременная передача. У колеса были зубчики, когда человек вращал одну рукоятку, то зубчики могли с очень высокой частотой задевать пластинку, когда они задевали пластинку, к примеру, тысячу раз в секунду, они порождали звук на этой частоте. Зная скорость вращения и количество зубчиков, Феликс Савар мог исследовать, какой частоты звук человек слышит.
После несколько экспериментов, он убедился, что начиная примерно с 24 кГц, человек перестает слышать звук. Фактически, он впервые получил ультразвук руками.
24 кГц, как верхний предел доступного для слуха диапазона — это очень близко к современному пониманию, около 20 кГц.
В течении всего XIX века исследователи акустики независимо пытались измерить верхнюю частоту доступного слуху диапазона, и получали сильно разные оценки.
В конце XIX века Гельмгольц, один из отцов современной акустики, получил значения почти в 40 килогерц. Он ошибался.
Кёниг зафиксировал значение около 20 килогерц и убедился, что верхний порог снижается с возрастом: у детей он выше, но по мере взросления снижается.
Сейчас есть музыканты, которые используют современные вариации колеса Савара как музыкальный инструмент.
Стало понятно соотношение между высотой звука и чистотой, но всё равно не было понятно, что происходит внутри каждого колебания, что представляет из себя звуковой профиль, чем отличаются разные звуки друг от друга.
Звуковой профиль надо было визуализировать. Но звук не видно. И звук — это очень быстро, нужно что-то показывать с частотой в тысячи, десятки тысяч раз в секунду. Как это все сделать?
Интересное устройство придумал Жуль Антуан Лиссажу в 1855 году. Он взял два одинаковых камертона и установил у них зеркала, Колебания камертонов настроены перпендикулярно, частоты у них одинаковые, в результате лучик света в отражении двух зеркал выписывает фигуры. Такие загогулины называются с тех пор «фигуры Лиссажу».
Джон Тиндалл чуть позже усовершенствовал технологию. Он вместо одного из камертонов поставил равномерно поворачивающееся зеркало.
Колебания простых инструментов, типа камертона, научились видеть. Но остался сложный звук, например, звук музыкальных инструментов или звук голоса.
Эту задачу смог впервые решить Рудольф Кёниг, которого называют «Фарадеем звука». Он родился в Кёнигсберге, но в молодости переехал в Париж, поступил на службу ассистентом в фирме, которая изготовляла скрипки. После он сам переключился на изготовление акустических инструментов, не только музыкальных, но и научных.
В течение 40 лет он изготавливал приборы, которыми пользовались все акустики того времени. Это были приборы непревзойденного качества и многие из них работают до сих пор. Огромный тонометр, который он построил из нескольких сотен настроенных камертонов, рабочий, по нему можно настраивать инструменты и сейчас.
Кёниг сотрудничал с Гельмгольцем и, впервые, они начали проводить в конце XIX века эксперименты с электрическим синтезатором голоса.
Как Кёниг смог визуализировать звуковое колебание.
Он взял газовую горелку, где камера, через которую шел газ, была разделена на две части эластичной каучуковой мембраной. В нормальном состоянии газ входит через канал А, потом передается в трубочку В и горит равномерно.
Если со стороны D во вторую половину камеры, попадает звук, то резиновая мембрана начинает колебаться, и когда она колеблется, то выдавливает или втягивает газ. Поступление газа меняется, пламя становится то ярче, то тусклее.
Плюс нужно взять вращающееся зеркало, чтобы видеть быстрые колебания в реальном времени. К примеру, параллелепипед как на рисунке, который со всех сторон покрыт зеркалами, нужно вращать с большой скоростью. В отражении языков пламени вы увидите закодированный звуковой профиль.
Кёниг был товарищ систематический и эксперимент повторял много раз. Он садился перед горелкой, в трубочку D напевал звук на определённой высоте, стараясь держать высоту. В процессе напевания, он смотрел на отражение, на форму пламени и зарисовывал. При этом у него был ассистент, который независимо от него тоже зарисовывал. Если рисунки сходились, то считалось, что оба зарисовали правильно. Если нет, то Кёниг повторял эксперимент. Он изучил 5 гласных звуков на 15 разных нотах.
С возрастом он уже не смог продолжать работу, собрал все зарисовки звука и опубликовал в конце 1880-х.
Все эти красивые и хитроумные приспособления почти сразу же стали достоянием истории, как только появился способ механически записывать звук на долгую память.
Томас Эдисон предложил способ, как зафиксировать профиль звукового колебания на твердом носителе с помощью фонографа.
Фонограф люди подхватили и буквально за несколько лет усовершенствовали до граммофона, патефона и т.д… Дальше пошла вся индустрия звукозаписи, которая сохранялась почти до 1980-х. Она была доминирующей, пока люди не перешли на звуковые кассеты.
Появился способ записать звук. Если он записан, то его можно дальше исследовать, эксперименты с зарисовками стали не сильно важны.
Вот если вам хочется изучать звуковые колебания в реальном времени, то фонограф не очень подходящая вещь. Здесь прогресс шел долго. Он начался с изобретение телефона, как комбинация микрофона и динамика, в 70-х годах 19 века. Для нормальной записи и воспроизведения звука эти устройства совершенствовали еще несколько десятилетий.
Такого типа картинки на экране осциллографа, люди научились получать только в 1920-е. С этого момента все можно считать, что мы можем исследовать звук во всех его сложных колебаниях в реальном времени.
Краткая история ультразвука и гидроакустики
Частоты ниже примерно 20 Гц человеческое ухо уже не воспринимает, это называется инфразвук. Рабочий диапазон человеческого уха ≈ 20 Гц — 20 кГц. Это наш акустический диапазон. При этом основная частота голоса занимает очень узкий интервал ≈100-200 Гц.
Начиная с 20 кГц, начинается ультразвук. Все, что выше 20 кГц, можно называть ультразвуком, но в районе 100 МГЦ используется часто иной термин — «гиперзвук».
Уточнение, гиперзвук — это ультразвук, с частотой 100 МГЦ, а есть еще «гиперзвуковая скорость» — это скорость летательных аппаратов, выше скорости звука в 5 раз и больше. Это разные термины, случайно получилось, что в них одинаковое слово используется.
Чтобы совсем запутать людей, в начале XX века вместо слова ультразвук или «ultrasonic», использовали термин «supersonic», то есть то, что сейчас мы называем «сверхзвук». Сейчас это не используется, потому что под словом «сверхзвук» связан с летательными аппаратами, которые движутся со скоростью больше скорости звук. Но если вы будете читать какую-то литературу по ультразвуку 100-летней давности, то будьте готовы увидеть там вместо ультразвука – сверхзвук.
Звук отличается не только длиной волны, но и поглощением. Это вот очень важная вещь, которая реально влияет на приложение.
Чем больше частота звука, то есть чем меньше длина волны звука, тем сильнее он поглощается в среде. При этом темп поглощения, то есть насколько далеко звук может распространяться, зависит не только от самой среды, но и от конкретных условий в ней.
Если взять обычный звук на частоте 1 кГц, то он в воздухе затухает на расстоянии 1 километра. На расстоянии в несколько километров вы высокие частоты вообще не услышите, они затухнут.
Если взять ультразвук на частоте 100 кГц, это довольно высокий ультразвук уже, то он затухает на считанных метрах. Если взять 1 МГц, то он буквально на десятках сантиметров затухнет. Поэтому в воздухе ультразвук выше 1МГц не используется, он просто далеко не улетает.
В воде, на той же частоте 1 КГц, звук может распространяться сотни километров, 1 МГЦ может распространяться на десятки метров. 1 ГГц распространяется на несколько миллиметров.
По мере уменьшения длины волны, то есть по мере роста частоты, у нас резко уменьшается дальность ультразвука. Он резко поглощается, поэтому 1 ГГц уже поглощается на долях миллиметра, ТГц буквально на несколько межатомных расстояний.
В воде 1 МГц, звук может распространяться на десятки метров, а в организме, если говорить про медицинское применение ультразвука, ультразвук распространяется еще меньше, потому что он не просто поглощается, но и рассеивается.
Если взять тот же 1 МГц и запустить его в человека, то в жировой ткани, во внутренних органах, он пройдет несколько десятков сантиметров. В мышцах пройдет всего 5 сантиметров, а в кости вообще несколько миллиметров.
Звук слишком высокой частоты вообще в организме использовать бессмысленно, т.к. он быстро поглотится.
У ультразвука есть 2 главных характеристики, которые делают его очень удобным:
- маленькая длина волны
- способность отражаться от границы раздела сред
Если мы переходим из жировой ткани в мышцы или в кость, то у нас на границе раздела происходит отражение звука.
Если у нас длина волны сильно меньше, чем размеры излучателя, то из звука можно создать узкий сфокусированный звуковой луч и не тратить попусту звуковой энергию.
Если длина волны много меньше размеров препятствий, тогда этот звук будет хорошо отражаться от этих препятствий. От сравнительно маленьких препятствий он как бы не отражается, он их огибает. Если препятствие крупное, размером с длину волны или больше, тогда звук хорошо отражается.
С одной стороны, поглощение звука — вроде бы плохо. Крикнули, а звук никуда не долетел.
Но с другой стороны, это способ внедрять энергию в вещество.
Вы можете без разрезания тела, заставить маленькую опухоль внутри тела нагреваться, просто сфокусировав там ультразвук. Это используется и медицине и в материаловедении.
Приложение ультразвука так велико, что существуют десятки научных журналов, в которых публикуются статьи только по приложениям ультразвука.
Впервые человек столкнулся с ультразвуком, не осознавая того, что речь идёт про ультразвук.
В XVIII веке итальянский исследователь Ладзаро Спалланцани заинтересовался тем фактом, что летучие мыши свободно и безошибочно ориентируется в полной темноте.
Спалланцани провел ряд экспериментов на летучих мышах, из чего сделал вывод, что даже не имея зрения, летучие мыши способны уклоняться от препятствий, избегать натянутых проволочек и спокойно летать. Потом выяснилось, что за эту навигацию отвечают уши, а не глаза.
То есть Спалланцани и его последователи его, они проводили другие эксперименты, фактически, заливая воском ушки мышкам. Тогда летучие мышки не могли избегать препятствий и натыкались на них.
Спалланцани никакого вывода из своего исследования не сделал, просто опубликовал работу, где сообщил о том, что он открыл новый орган чувств у летучих мышей. Он не догадался, что это не слышимый нами ультразвук.
Это было бы революционным заявлением для той эпохи, потому что тогда исследователи считали, что если что-то есть, мы обязательно должны это или видеть или слышать.
Только в 1920-х и 30-х годах, исследователи, вооружившись современными технологиями, вернулись к летучим мышам и, доказали, что, они испускают ультразвук и с помощью отражения ультразвука ориентируются в окружающем пространстве.
«Занимательная биоакустика» рассказывает очень подробно про эту историю.
Как летучей мыши используют ультразвук для ориентации и охоты
У летучих мышей есть орган, который испускает высокий писк, от 30 до 100 КГц. В воздухе длина волны отвечающая этим частотам, всего несколько миллиметров.
Мышка летит в полной темноте, испускает десятки раз в секунду короткие ультразвуковые импульсы. Ультразвуковой импульс, если есть какое-то препятствие, отражается и возвращается обратно к летучей мыши. По времени задержки между испусканием импульса и приходом эха, мышка определяет размеры предмета и расстояние до него.
Как только мышь поняла, что есть какая-то мишень, она начинает на нее охотится, испускает звуковые волны чаще. За доли секунды перед поимкой, мышь переключается на другой режим, сотни раз в секунду испускает сигнал. В момент поимки мышь с точностью до миллиметра знает расстояние до цели. Это все происходит в полной темноте, только с помощью эхолокации.
Примерно то же самое человек тоже научился делать в XX веке.
Ультразвук в воздухе распространяется плохо, поэтому дальнейшие успехи ультразвука будут относиться к распространению в сплошных средах, например, в воде или в теле, поэтому сразу поговорим про гидроаккустику.
Люди пытались заниматься гидроакустикой еще в XVII-XVIII веках, но еще не понимали с какой скоростью звук распространяется.
Это значение в 1826 году измерил Жан-Даниэль Колладон. Он с ассистентом провел на Женевском озере серию экспериментов и измерил скорость звука. Она оказалась примерно 1,5 км/с.
Поскольку мы знаем скорость звука, теоретически появляется возможность дистанционно под водой измерять расстояние до каких-нибудь препятствий, если мы запустим туда сигнал какой-то и потом послушаем эхо.
С 1830-х годов, как только Колладон измерил скорость звука в воде, десятилетиями люди проводили бесчисленное количество экспериментов. Они пытались измерить глубину океана, услышав эхо от его дна. Безуспешно.
Только 1890-е люди научились с помощью звука связываться между кораблями.
В 1914 году с помощью новых инструментов, электрических, мощных генераторов звука, впервые люди научились детектировать айсберги на расстоянии и прослушивать дно. Но для «Титаника» это было поздновато.
Похоже, «Титаник» стал вызовом для инженеров того времени.
В первые недели после катастрофы, Льюис Ричардсон, британский математик получил два патента на такую акустическую дистанционную эхолокацию, сначала в воздухе, а потом под водой.
Он понял, что нужно сформировать из звука узкий звуковой луч, направить его на нужную мишень и послушать эхо от этого луча.
Микрофон, который будет под водой слушать эхо, должен находиться в фокусе акустического зеркала, то есть надо максимально усилить приходящий слабый звук.
Ричардсон впервые подчеркнул, что если уже мы хотим реально излучать узконаправленные лучи звука, нам нужно, чтоб наш излучатель был размерами намного больше, чем длина волны звука. Для звука обычной частоты, около 1 кГц, длина волны составляет метры, получается излучатель должен быть размером в десятки метров. Это слишком затратно. Если мы хотим создать узконаправленный луч, надо использовать ультразвук, то есть звук маленькой длинной волны. В этом польза ультразвука.
Не всегда предложения изобретателей реализуются. По поводу гибели «Титаника», было внесено еще одно интересное предложение про дистанционное детектирование айсбергов, которое внес оружейник Хайрам Максим.
Это оружейник американского происхождения, который потом переехал в Европу, в течении XIX века он изобретал разные варианты оружия, в том числе пулемет Максим, который был очень популярен в России.
Хайрам Максим предложил детектировать айсберги, как это делают летучие мыши, то есть с помощью инфразвука. В тот момент люди еще не знали на самом деле, чем пользоваться летучие мыши. Многие думали, что летучие мыши используют инфразвук, звук низких частот от собственных крыльев. Поэтому он предложил поставить на корабль излучатели инфразвука и потом детектировать отражение инфразвука.
Как мы сейчас понимаем, это не очень полезная технология, потому что звук сильно рассеивается и плохо отражается, если он длинноволновый. Так что его идея не прижилась.
Когда началась первая мировая война, она резко потребовала от британцев, американцев, французов найти способ детектировать подводные лодки Германии.
У Германии был отличный подводный флот, который топил корабли и гражданские суда. Сначала было вообще не понятно, что с ними делать.
Константин Шиловский — электротехник, изобретатель из России. Первая мировая война застала его в Швейцарии. Еще до начала войны он уехал в Швейцарию лечиться.
Шиловский, узнав про проблемы с подводным флотом, предложил французскому правительству схему, которая представляла из себя улучшенную версию идеи Ричардсона, то есть ультразвуковую эхолокацию.
Правительство рассмотрело, одобрило и подключило к этому исследованию физика Поля Ланжевена.
Вместе с Шиловским, они за год создали первый прибор, вот который одновременно работал как излучатель и микрофон, назвали «трансдьюсер».
В 1916 году с помощью него уже начали передавать сигналы между кораблями и впервые стали регистрировать отражение от металлического листа на расстоянии 100 метров.
Два года спустя Ланжевен с помощью пьезоэлектрического эффекта, создал улучшенный трансдьюсер, который от одного кристалла кварца выдавал киловатт энергии.
Технология ультразвуковой гидрологации была создана, готова, ее можно было бы использовать на войне, но война к тому времени уже закончилась.
В последующие годы было бурное развитие тех же самых технологий для мирных целей: исследования глубины океана, детектирования подводных препятствий.
Ко второй мировой войне воюющие державы подошли во всеоружии, не просто эхолокация была, а торпеды, которые самонаводились по звуку.
В послевоенное время опять начались исследований океана, морских жителей с помощью ультразвука.
Сегодня сонары — приборы, которые сканируют с помощью гидроэхолокации предметы под водой, доступны в магазинах. Если вы занимаетесь рыбалкой, то возможно видели их в профмагазинах.
Типичные частоты, на которых работают современные сонары это килогерцы, в т.ч. десятки и даже сотни килогерц, вплоть до мегагерца. Частота зависит от того, что вы хотите.
На картинке — затонувший корабль на глубине несколько десятков метров. Изображение получили с помощью сонар бокового действия с частотой 325 кГц.
Ультразвук в медицине
Вот типичная картинка, которую часто видят беременные.
Когда хотят посмотреть в каком виде плод, как он развивается, все ли в порядке, делают ультразвуковое исследование.
Как двумерные картинки получаются. По сути, та же самая эхолокация, но только уже в организме человека.
Прибор для УЗИ — это тоже трансдьюсер, то есть одновременно и датчик и излучатель. Он излучает направленный луч ультразвука на частоте нескольких мегагерц.
Например, его направляют сверху вниз. Ультразвук распространяется сквозь ткани. Если есть какая-то граница раздела, скажем жировая ткань и органы или там плод начинается, то тогда от границы происходит отражение звука и звук возвращается обратно к датчику. По времени возвращения эха можно определить, на какой глубине находится эта граница.
Сканирование с помощью одного луча занимает очень немного времени. При типичной скорости звука, 200 микросекунд вполне достаточно для того, чтобы измерить такой профиль в одну сторону. 200 микросекунд означает, что такие измерения вы можете делать 5 000 раз в секунду, то есть 5 000 раз в секунду вы можете получать такие одномерные картинки.
Двумерная картинка строится очень просто. Внутри головки датчика есть вращающийся источник звука. Он, поворачиваясь туда-сюда, каждый раз посылает одномерный луч 5 000 раз в секунду. Это означает, что он может колебнуться туда-сюда 30 раз в секунду, и за каждое колебание он около 100 раз может просканировать одномерное направление.
В результате этого за 1/30-ую секунды вы сможете получить такую двумерную картинку, как совокупность одномерных картинок в разных направлениях.
Все это занимает всего лишь 1/30-ую секунды, вы можете 30 раз в секунду обновлять эту картинку, т.е. у вас получается настоящее видео в реальном времени, что происходит внутри. Так происходит ультразвуковая диагностика тел. Есть еще более тонкие технологии, в которых не просто изучается, что там внутри, а еще измеряется скорость кровотока.
Диагностика с помощью ультразвука использует ультразвук низкой интенсивности. Такой ультразвук вообще никакого вредного воздействия не оказывает, это просто звуковое колебание, которые так есть, но просто в другом частотном диапазоне.
Однако, еще в 1920-х выяснили, если интенсивность ультразвука повышать, то он поглощается, выделяет энергию в виде теплоты и локально нагревает предметы. Раз нагревает, значит приводит к механическим воздействиям.
Когда Ланжевен вместе с Шиловским делали первый трансдьюсер и получили киловатные мощности ультразвука, они обнаружили, что если на аквариум с рыбами направить интенсивный ультразвук, то рыбы умирают.
В 20-х годах проводили разного типа исследования.
Был любопытный эксперимент Роберта Вуда и Альфреда Лумиса. Роберт Вуд был известным в то время профессором физики. Альфред Лумис был адвокат по образованию, из обеспеченной семьи, интересовался и наукой и техникой, инвестировал свои деньги разные исследования и поддерживал науку.
Лумис скооперировался с Вудом, выкупил несколько зданий, где они построили лаборатории и проводили исследования, как воздействует ультразвук высокой интенсивности на всё подряд.
В огромном исследовании 1927 года они перечислили кучу экспериментов, которые они проводили: нагрев жидкости, вскипание жидкости, превращение жидкости в эмульсии, воспламенение дерева, воспламенение тканей, прижатие предмета друг к другу, эффект сверления и так далее. В т.ч. они изучали и биологические воздействия на мелкие организмы, к примеру, они измеряли на каком пороге интенсивности происходит смерть рыбок.
Потом началась Вторая мировая война, от этих исследований временно отказались. После войны, уже с новой техникой, люди вернулись к вопросу, как действует ультразвук высокой интенсивности на живые организмы.
В 50-х годах в США в университете Иллинойса, два брата-исследователя Фрай создали специальную лабораторию для изучения нейрохирургии с помощью ультразвукового скальпеля.
Хирургия внутри головы обычным способом — дело опасное, приходится разрезать череп и залезать внутрь. А ультразвуковой луч позволяет без вскрытия организма наносить внутренние точечные воздействия на ткани с точностью в миллиметры.
Фрай сначала теорию разработали, потом на разных материалах опробовали действие ульразвукового луча, потом проводили эксперименты на животных и уже в 1955 году начали лечить опухоли мозга.
С тех пор эта технология сильно развилась сейчас широко используется. Единственное ограничение этого метода в том, что вы не сможете обрабатывать большие участки ткани, требуется фокусировать ультразвук с точностью до миллиметров. Если вам нужно, скажем, прижечь орган, чтобы остановить внутреннее кровотечение, для этого вполне достаточно ультразвука.
Терагерцы
Зачем нам вообще нужен ультразвук такой высокой чистоты? Что с помощью такого ультразвука можно изучить?
Поскольку длина поглощения терагерца составляет десятки расстояний между атомами, то нет смысла как-то воздействовать на макроскопические предметы. С помощью терагерцовых звуков мы можем изучать само вещество, не более того.
Зато с помощью этого вы можете изучить поведение вещества на временных промежутках около пикосекунд, то есть 10^(-12) секунды. Вот один пример:
Вода в твердом состоянии, в виде льда, образует кристаллическую решетку с помощью водородных связей. Это такие связи, которые как бы через протоны связывают друг с другом разные молекулы. Эти связи во льду прочные, они держатся.
А что происходит в воде? В воде тоже толпа молекул, она даже более плотная, чем лёд, поэтому там тоже образуется водородные связи. Но поскольку в воде молекулы толкутся туда-сюда, эти связи устанавливаются на небольшое время, потом разрушаются.
На масштабе порядка долей пикосекунды в воде появляется дополнительная упругость, потому что эти связи еще держатся, но если вы посмотрите на время порядка наносекунд, то эти связи разрушаются и жидкость течет.
Возникает желание найти какой-то способ проверить долговременность этих водородных связей внутри воды и то, как они влияют на структурные свойства, на упругость воды на временах порядка пикасекунды. Это можно делать с помощью ультразвука огромной частоты, порядка терагерц.
С середины XX века, когда появились первые компьютеры, люди стали исследовать, как разные молекулы внутри вещества движутся относительно друг друга и как складывается из движения отдельных молекул свойства сплошных веществ.
В 1974 году провели эксперимент и применили метод молекулярной динамики на 216 молекул воды. Кроме обычного звукового колебания, исследователи нашли еще какую-то новую форму колебаний, они назвали это «быстрым звуком».
Вот это то, что мы при обычных частотах не видим, мы можем в воде измерить звук и мы видим, что вот он составляет 1500 метров в секунду примерно и он один, а в моделировании люди обнаружили, что есть какой-то 2-й быстрый звук, который имеет скорость примерно вдвое быстрее.
В 1985 году эти расчеты были экспериментально подтверждены, исследователи фиксировали быстрый звук в воде, но что это за звук, было непонятно. В 1990-х годах с помощью серии экспериментов и теоретических расчетов, люди разобрались в этой картине.
Оказывается быстрый звук — это обычный звук, продольный звук, он такой как и всегда. Но из-за того, что при ультразвуковых частотах вода приобретает дополнительную упругость, звук распространяется быстрее, как будто во льду, со скоростью примерно 3 км/с.
А то, что люди сначала восприняли как обычный звук на скорости ≈1,5-1,8 км/с, был новый поперечный звук в воде. Это очень необычная вещь.
В кристаллах такой звук вполне может быть, потому что в кристаллах есть упругость. Вы можете в кристалле сдвинуть относительно друг друга плоскости, и они будут пытаться восстановиться. В воде, казалось бы, никакой упругости нет, она текучая, но оказывается, что текучесть изменяется на времени порядка пикосекунд. На частоте порядка терагерц, из-за водородных связей, которые не успевают еще разрушится, вода начинает себя вести не просто как обычная жидкость, а как вискоэластик. Вискоэластик — некая среда, у которой есть одновременно есть и текучесть и упругости. Поэтому в воде при очень высоких частотах возможны и поперечный и продольный звуки.
Сам факт, что некоторые жидкости допускают существование поперечного звука — не тривиальный. Неизвестно заранее, та или иная жидкость способна это делать или нет, и при каких температурах и давлениях. В последние годы люди начали исследовать, когда этот звук может появляться, во всех ли жидкостях, при всех ли температурах и так далее.
В серии работ, выполненных в институте высокого давления в Троицке, Вадим Брашкин и его коллеги смогли доказать, что есть области на фазовой диаграмме, то есть давления температуры, например, аргоном, в которой у нас может существовать быстрый звук, а в другой области не существует. Эти две области разделены фазовым переходом. Этот фазовый переход они предложили назвать «линии Френкеля», в честь знаменитого российского советского физика Якова Френки. Этот фазовый переход был обнаружен экспериментально буквально несколько лет назад. Так что это видите звук на терагерцах и необычный взгляд на вещество — это самая современная физика звука.
