Есть ли что-нибудь не поющее в мире?

Запели тесаные дроги ... С. Есенин Пытаются шептать клочки афиш, Пытается кричать железо крыш, И в трубах петь пытается вода И так мычат бессильно провода. Е. Евтушенко До сих пор шла речь о колебаниях, вызванных преимущественно периодическими силовыми воздействиями. Имеется, однако, весьма обширный класс колебаний, источником которых может служить какой-либо постоянный фактор: лоток жидкости или газа, гидростатическое давление, постоянная сила натяжения, гравитации, трения, электродвижущая сила и т. п. Такие колебательные движения носят название автоколебаний. В обыденной жизни мы, возможно, сами того не замечая, встречаемся с автоколебаниями чаще, чем с колебаниями, вызванными периодическими силами. Начнем с автоколебаний природного происхождения. Вой ветра в ветвях деревьев, в горах (вспомните у Тютчева: "Скалы поют, как кимвалы"). Это примеры автоколебаний вихревого характера, но продуктом воздействия постоянного возмущающего фактора могут быть и автоколебания строго периодического характера, одно- или многотональные. Знаменитый мореплаватель Ф. Чичестер указывает, что "ревущие сороковые" именуются так не за шум разбивающихся волн, а именно за рев и вой ветра в снастях судов. Чичестеру во время "одиночной кругосветки" пришлось изучать язык своего судна. "Каждый вздох, треск или грохот что-то означал; даже каждый оттенок завывания ветра в гротштаге имел свой смысл". Со временем Чичестер смог по звукам вполне точно определять скорость и направление ветра. В великолепной монографии У. Брэгга "Мир света, мир звука" (к сожалению, сейчас подобные капитальные научно-популярные книги все больше вытесняются брошюрками-однодневками) имеется глава "Звуки деревни". Здесь что ни звук, то автоколебания. Стрекотание кузнечиков и цикад, журчание ручья, мычание и блеяние животных, звуки, издаваемые домашними и дикими птицами. А голос человека? Разве это не важнейший (по крайней мере, для него самого) автоколебательный процесс? В основе его находится движение постоянного потока воздуха из легких, модулируемого колебаниями голосовых связок. Тончайшие фиоритуры модного колоратурного сопрано из столичного оперного театра и грубый рев быка с точки зрения физики звукообразования совершенно идентичны. Упомянем о природных автоколебаниях несколько экзотического свойства. Поющие пески... Еще в XIV веке великий путешественник Марко Поло упоминал о "звучащих берегах" таинственного озера Лоб-Нор в Азии. За шесть веков поющие пески были обнаружены в различных местах всех континентов. У местного населения они в большинстве случаев вызывают страх, являются предметом легенд и преданий. "Когда боги смеются, берегись!" -- предостерегающе крикнул старик. Он начертил пальцем круг на песке и, пока он чертил, песок выл и визжал; затем старик опустился на колени -- песок взревел и затрубил", -- так описывает Джек Лондон встречу с поющими песками персонажей романа "Сердца трех", отправившихся с проводником на поиски сокровищ древних майя. Есть поющие пески и даже целая поющая песчаная гора и у нас в стране. Неподалеку от реки Или в Казахстане поднялась почти на 300 метров гора Калкан-- гигантский природный орган. При ветре и даже при спуске с нее человека гора издает мелодичные звуки. После дождя и во время штиля гора безмолвствует... Да, много веков прошло со времени обнаружения поющих песков, а удовлетворительного объяснения этому поразительному феномену не было предложено. В последние годы за дело принялись английские акустики, а также советский ученый В. И. Арабаджи. Этого специалиста, по-видимому, всегда влекли к себе необычные акустические явления в природе. Раскрывая очередной номер Акустического журнала АН СССР и видя в оглавлении фамилию Арабаджи, можно заранее сказать, что речь пойдет об анализе шума грома, тайфунов или водопадов, звуков в пещерах и подземных галереях. Дошла очередь и до поющих песков. Арабаджи предположил, что излучающий звук верхний слой песка движется при каком-либо постоянном возмущении по нижнему, более твердому слою, имеющему волнистый профиль поверхности. Вследствие сил трения при взаимном перемещении слоев и возбуждается звук. Примерно так же объясняют генерацию звука движущимися песками некоторые иностранные ученые. Если есть "звуки земли", то почему бы не быть голосу моря? Именно этим именем были наречены В. В. Шулейкиным инфразвуковые колебания, возникающие при движении ветра над гребнями морских волн. Академик Шулейкин не только открыл это явление, но и предложил использовать его для прогнозирования штормов с помощью специальных шаров-зондов, размещаемых на морских берегах. Многочисленны и многообразны создания рук человеческих, в которых возникают и используются автоколебания. Прежде всего, это различные музыкальные инструменты. Уже в глубокой древности -- рога и рожки, дудки, свистульки, примитивные флейты. Позже -- скрипки, в которых для возбуждения звука используется сила трения между смычком и струной; различные духовые; гармонии, в которых звук производят металлические язычки, колеблющиеся под действием постоянного потока воздуха; органы, из труб которых вырываются через узкие щели резонирующие столбы воздуха. У кого из архитекторов далекого прошлого возникла мысль создать гигантский орган, звучащий под воздействием естественных потоков воздуха? Да к тому же совместить его с величественным изваянием одного из фараонов, правившего в XIV веке до нашей эры? Кто бы это ни был, приходится удивляться интуиции творца этого памятника и практическим представлениям его в области акустики. Пора удовлетворить законный интерес читателя. Конечно же, речь идет о знаменитом "мемнонском колоссе", гигантском звучащем изваянии, установленном вблизи египетского города Луксора. Высота статуи около 20 метров, масса достигает тысячи тонн. В нижней части колосса обнаружен ряд щелей и отверстий с расположенными за ними камерами сложной формы. Акустик из ФРГ О. Бшорр в течение года вел наблюдения за звуками, издаваемыми статуей, записывал их на магнитофон и подвергал спектральному анализу. Выступление его на токийском Международном конгрессе по акустике послужило лишним доказательством того, насколько несправедливо бытующее иногда мнение об ученых, как о сухих, черствых людях, которым чуждо все человеческое. Когда наступило время доклада Бшорра о мемнонском колоссе, то в аудитории поистине яблоку негде было упасть. В соседних же аудиториях, где заседали другие секции конгресса, было пустовато. Докладчик начал с сообщения о том, что более чем в ста греческих и латинских документах разных времен упоминается пение колосса. Один из авторов документов (Страбон) указывает, что статуя имитирует голос человека. После реставрации памятника императором Септимием Севером в 199 году н.э. эта способность была утрачена памятником. Что же показали регулярные наблюдения? Летом статуя звучит после 5 часов утра, зимой -- после 7 часов. Звук мелодичный, продолжается 1--2 часа. Несомненно, что он вызывается восходящими потоками воздуха, нагреваемого утренним солнцем. Однако установить точную физическую картину звукообразования не удалось. Было высказано более десяти различных предположений на этот счет, как то: ветровой эффект, эолова арфа, колебания резонаторов Гельмгольца, эффект Тревельяна (колебания при соприкосновении с нагретой поверхностью) и т. п. Весьма вероятно одновременное действие нескольких механизмов возникновения "пения". Следует, таким образом, констатировать, что взятая на себя Бшорром миссия по изучению поющего колосса не увенчалась полным успехом, и это оригинальнейшее творение мастеров далекого прошлого еще ждет своих исследователей. Перейдем, однако, от уникальных памятников старины к научно-техническим творениям современности. Используя автоколебательные системы и принципы, удалось создать много нужных машин, приборов, устройств. В разработанных человеком устройствах особенно отчетливо выделяются три элемента необходимых для осуществления автоколебательного процесса. Это -- источник постоянной энергии, собственно автоколебательная система и тот или иной регулятор поступления энергии в систему. Возьмем, например, паровую машину. Источник энергии здесь -- паровой котел, регулятор поступления энергии в движущийся механизм -- золотник, а сама автоколебательная исполнительная система -- движущийся в цилиндре поршень, связанный с колесами локомотива с помощью штока, шатуна и кривошипа. В обычных часах источником потенциальной энергии служат заведенная пружина или поднятые гири, а распределителем -- анкерный механизм, который приводит в периодическое движение маятник и зубчатые колеса, связанные со стрелками. Разнообразные пневматические инструменты, сирена, электронные генераторы и многие, многие другие автоколебательные системы также исправно служат людям. Но довольно часто, к сожалению, возникают и нежелательные автоколебания, приводящие к повреждению и даже разрушению сооружений и устройств, а иногда и к гибели людей. В сравнительно недалеком прошлом известны случаи, когда обрушивались от колебаний неправильно рассчитанные мосты при сильных ветрах и ураганах. Для предотвращения разрушения высоких металлических труб, находящихся в ветроопасных местах, был предложен остроумный прием, заключающийся в наварке на наружной поверхности труб по пологой винтовой линии сравнительно тонких невысоких ребер. Эти ребра, уводя обтекающий трубу горизонтальный ветровой поток вверх, препятствовали возникновению за трубой пагубных для нее мощных вихрей. Большую опасность в котельных установках (в том числе судовых) представляют автоколебания трубок под воздействием постоянных потоков воды или пара. Изменением конструкции трубок, увеличением расстояния между ними для предотвращения их соударений удается в большинстве случаев защитить котлы от выхода из строя. Два вида автоколебательных процессов вошли как печальной памяти явления в историю самолетостроения и воздухоплавания. Первое из них имеет профессиональное название флаттер. Этому автоколебанию подвержены плоскости самолета и его хвостовое оперение. Само название (англ. flutter -- трепетание) указывает на характер явления. Оно сродни колебаниям листьев деревьев на ветру (вспомните, как трепещут на своих податливых черенках листья осины). О сорвавшихся с дерева листьях никто печалиться не станет, на самолете же флаттер буквально за несколько секунд может привести к разрушению плоскостей или оперения и связанным с этим страшным последствиям. В настоящее время достаточно сложный механизм флаттера полностью выяснен, и части самолетов рассчитываются так, чтобы это опаснейшее явление не могло возникнуть. Другим опасным колебанием явилось шимми -- виляющие движения колеса шасси (преимущественно переднего) при посадке самолета, могущие вызвать его аварию. Как известно, шимми был модным танцем 20-х годов; возможно, это название было использовано авиаторами потому, что виляющее движение колеса в плане несколько напоминало движение ног у исполняющих танец. Теория шимми была дана М. В. Келдышем. Введение в самолетные шасси демпферов и добавочных шарниров позволило исключить аварии и вследствие шимми. Роль виляющих колебательных движений в технике вообще не так мала, как может казаться. При буксировке плавучих емкостей с определенной скоростью могут возникнуть виляющие автоколебания, приводящие к отрыву буксирных тросов и даже к повреждению самих емкостей. Судоводители, впервые обнаружившие это явление, по-видимому, не знали, что Рэлей предсказал возможность таких колебаний еще в конце прошлого века на основании результатов весьма изящного опыта. За отсутствием устройств, сообщающих жидкости прямолинейное движение, им был использован наполненный водой сосуд относительно большого диаметра, вращаемый вокруг вертикальной оси. Когда у стенок сосуда, где скорость движения жидкости наибольшая, в воду был опущен груз маятника, то помимо естественного постоянного отклонения по течению жидкости он начал совершать также колебательные движения в перпендикулярном направлении. Итак, мы коснулись автоколебаний приятных (некоторые музыкальные звуки), автоколебаний полезных (составляющих основу устройства некоторых машин и приборов), наконец, автоколебаний опасных. Есть также автоколебания, пусть не особенно опасные, но в достаточной степени раздражающие. Кому из нас не приходилось воевать уже не с поющими, а с ворчащими, рычащими, стонущими трубами в ванной? А скрипы плохо смазанных петель, дверных створок, касающихся пола? Впрочем, не всегда и не всех эти звуки раздражали. В повести Гоголя "Старосветские помещики" есть строки, свидетельствующие, что подобные автоколебания могли и умилять: "Но самое замечательное в доме -- были поющие двери. Как только наставало утро, пение дверей раздавалось по всему дому. Я не могу сказать, отчего они пели: перержавевшие ли петли были тому виною, или сам механик, делавший их, скрыл в них какой-нибудь секрет; но замечательно то, что каждая дверь имела свой особенный голос: дверь, ведущая в спальню, пела самым тоненьким дискантом; дверь в столовую хрипела басом; но та, которая была в сенях, издавала какой-то странный дребезжащий и вместе стонущий звук, так что, вслушиваясь в него, очень ясно, наконец, слышалось: батюшки, я зябну!" И далее Гоголь пишет: "Я знаю, что многим очень не нравится сей звук; но я его очень люблю, и если мне случится иногда здесь услышать скрып дверей... боже, какая длинная навевается мне тогда вереница воспоминаний!" Интересно, что сказал бы Гоголь или его милые старички, если бы рядом с ними раздался скрип, вернее, страшный визг тормозов современного автомобиля? Едва ли хоть когда-нибудь и у кого-нибудь эти звуки наших дней смогли бы вызвать милые воспоминания... ПОБЕДНОЕ ШЕСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА Соколов намного обогнал свое время... Г. Чедд. Звук Автор должен предупредить читателя, что, несмотря на жизнеутверждающий тон заголовка, в повествовании об ультразвуке будет и доза ламентаций. Но сначала некоторые воспоминания довольно давних лет. Тема их также, естественно, связана с названием. К тому же они радостны, как всякие воспоминания ("что пройдет, то будет мило" -- А. С. Пушкин). Итак, май 1938 года. Наш учитель, профессор Ленинградского электротехнического института С.Я.Соколов, входит в аудиторию. -- Что-то вас мало сегодня. Ясно, до сессии еще далеко, а погода хорошая. Пойдем и мы погуляем. Группа студентов проходит со своим преподавателем мимо первой в стране лаборатории электроакустики, размещающейся в старой церкви. За ней -- парк, тянущийся до одного из рукавов Невы. Соколов обращается к студентам: -- Хочу поговорить сегодня с вами о перспективах применения ультразвука. Сейчас в них мало кто верит, а они будут гигантскими и вы еще сами убедитесь в этом. Кстати, несколько лет назад на этих вот деревьях, осенью, когда ветви были без листьев, я развесил восемьсот метров стальной проволоки и убедился, что затухание звука, в том числе и ультразвуковой частоты, в металлах ничтожно. -- Вы знаете об успехах нашей лаборатории в ультразвуковой дефектоскопии металлов, -- продолжал Сергей Яковлевич. -- Так вот, ультразвук будет "просвечивать" и тело человека, причем в отличие от рентгеновских лучей это совершенно безвредно. С помощью ультразвука мы уже делали эмульсию ртути с маслом и водой. Если мощность звукоизлучения достаточна, можно эмульгировать практически любые компоненты. Но и это далеко не все. Пробовали на металлургическом заводе облучать ультразвуком расплавленный металл. Зернистость его уменьшается во много раз. Можно получать сплавы с высокой степенью однородности структуры. Можно применять ультразвук и для очистки изделий, для соединения металлов друг с другом. А влияние ультразвука на химические реакции? Ведь это поистине безграничная область. -- Сергей Яковлевич, а где все это описано? -- спрашивает кто-то из нас. -- Публикуем понемногу результаты в журналах. Но мыслей столько, что не успеваем все описывать. В общем, применения ультразвука будут чрезвычайно многообразны, и очень важно создать электронно-акустический преобразователь, делающий видимым любое ультразвуковое изображение. Сейчас наша кафедра совсем близка к созданию такого преобразователя. (Он вскоре и был создан С. Я. Соколовым -- И. К.) Прошло четыре десятилетия. Просматриваю только что вышедшие книги по применению ультразвука: "Ультразвуковая технология", 1974; "Применение ультразвука в промышленности", 1975. Конечно, техника значительно усовершенствовалась, вскрыты многие новые закономерности, но некоторые из основных направлений в применении ультразвука все те же, о которых мы слышали в довоенные студенческие годы. Может быть, в этих коллективных монографиях упомянуто хотя бы вскользь имя основателя советской (и, по существу, мировой) ультраакустики, предвосхитившего многие применения ультразвука? Нет, в этих отечественных изданиях (в отличие от некоторых иностранных работ) напрасно было бы искать имена людей, стоявших у истоков ультраакустики... Перечислим некоторые успешные современные технологические применения ультразвука. Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную мелкокристаллическую их структуру. Это видно хотя бы из приводимого рисунка, взятого из упомянутой книги "Применение ультразвука в промышленности" (суще- Влияние ультразвука на структуру чугуна. Слева --образен, не подвергавшийся действию ультразвука; справа -- образец, обработанный ультразвуком во время кристаллизации. Ультразвуковая сварка под давлением. Микроструктурный анализ показывает, что стык шероховатых поверхностей (рисунок слева) уже через 0,1 секунды после воздействия ультразвука (горизонтальные стрелки) приобретает гладкую структуру. ствуют подобные же фотографии, полученные еще С. Я. Соколовым, но, разумеется, новые данные всегда более убедительны). Облучение ультразвуком расплавленных металлов содействует удалению из них газов, что в конечном итоге также улучшает качество металла, обеспечивает отсутствие в нем усадочных раковин. На симпозиуме по ультразвуку в Дюссельдорфе в 1973 году ученые из ФРГ сообщили, что ими разработана методика формирования требуемой структуры металла при воздействии ультразвука. Ультразвук используется также при закалке и отпуске сплавов, сварке и пайке, значительны перспективы применения ультразвука при сверлении и долбежке твердых материалов, очистке металлических изделий, для предотвращения образования накипи на стенках котлов и иных сосудов, получения однородных горючих смесей, при газоочистке и сушке различных материалов. В США освоен дешевый метод нарезания резьбы произвольного профиля на металлических изделиях с помощью ультразвука. О масштабах технологического применения ультразвука говорит то обстоятельство, что в США ультразвуковое оборудование изготовляют более 50 фирм. Мощность ультразвуковых установок достигает 10 киловатт и более Разнообразное ультразвуковое оборудование для различных технологических процессов изготовляется и в нашей стране. Польские инженеры разработали метод осаждения густого тумана с помощью мощной направленной ультразвуковой сирены. Будучи установлена на носу судна, такая сирена способна улучшить видимость в направлении движения, на несколько сот метров вперед. Другая важная сфера применения ультразвука -- автоматический неразрушающий контроль. На судах широко применяются ультразвуковые уровнемеры и расходомеры различных жидкостей в трубах и сосудах. На ежегодном симпозиуме по ультразвуку, проходившем в 1974 году в г. Милуоки (США), американские специалисты сообщили о разработке высокотемпературных ультразвуковых преобразователей для контроля узлов жидкометаллических атомных реакторов. Эти преобразователи могут применяться как в стационарных, так и в судовых ядерных энергетических установках. Ультразвуковая дефектоскопия металлических листов и различных изделий являет собой пример традиционного и достаточно давнего промышленного применения ультразвука. Еще в 1942 и 1953 годах С. Я- Соколову и группе его сотрудников были присуждены Государственные премии СССР за разработку и внедрение ультразвуковых дефектоскопов. С тех пор методы и аппаратура ультразвуковой дефектоскопии значительно усовершенствовались. Современные дефектоскопы позволяют выполнять контроль однородных материалов на глубину от 0,5 миллиметра до 5 метров, при этом в металле обнаруживаются внутренние раковины, трещины и расслоения размером в доли миллиметра. Для выявления столь малых дефектов используется ультразвук с частотой до нескольких мегагерц. Весьма интересные и глубокие теоретические исследования в области ультразвуковой дефектоскопии были выполнены Л. Г. Меркуловым. Существует несколько методов производственной ультразвуковой дефектоскопии. В наиболее простом (и первом по времени возникновения) теневом методе, или методе сквозного, прозвучивания, излучатель и приемник ультразвука размещаются один против другого по разным сторонам изделия. Наличие дефекта на пути ультразвуковых волн проявляется прежде всего в ослаблении принимаемого сигнала. Синхронное движение вдоль поверхности изделия излучателя и приемника позволяет обследовать всю площадь испытуемого изделия. Более совершенный импульсный эхо-метод в принципе мало отличается от метода морского эхолотирования. Излучатель на поверхности изделия периодически посылает ультразвуковые импульсы и принимает сигналы, отраженные от дефектов или неоднородностей внутри изделия. Время между посылкой и приемом импульсов позволяет по известной скорости ультразвука определять глубину залегания дефекта. Существуют и некоторые другие, более сложные методы выявления неоднородностей в изделиях, применяемые прежде всего при исследовательских работах. В настоящее время в СССР разработано значительное количество совершенных ультразвуковых дефектоскопов. Броневые плиты, судовые валы и другие изделия подвергаются весьма тщательному ультразвуковому контролю. Нельзя не упомянуть о применении ультразвука в медицине. Оставляя в стороне вопросы ультразвуковой терапии, мы не можем не остановиться на ультразвуковых методах диагностики, связанных, по существу, все с той же "ультразвуковой дефектоскопией", "неразрушающим контролем", но уже не металлов и изделий, а самого человека (именно потому мы и взяли эти термины в кавычки). На основе новых систем электронно-акустических преобразователей созданы весьма совершенные визуализаторы внутренних органов человека. Так как разные ткани обладают различными акустическими свойствами, то по картине отраженных или прошедших звуковых волн можно судить о состоянии исследуемой части тела. Отчетливо фиксируются нарушения положения и формы внутренних органов, наличие опухолевых процессов и иные отклонения от нормы. Начиная с 1974 года проводятся ежегодные конгрессы по ультразвуковой медицине. Поражает изобретательность, с которой медики при помощи инженеров находят все новые и новые применения ультразвуку. Здесь и определение содержания липоидов в тканях с помощью оценки ультразвукового рассеяния от них, и применение фокусированного ультразвука для раздражения нервных структур и для измерения скорости потока крови, и даже непрерывное обеспечение контроля за продвижением плода при родах (что очень заинтересовало акушеров). Обнаружены интересные физические зависимости. Установлено, например, что поглощение ультразвука в легком гораздо больше, чем в других мягких тканях, а поглощение ультразвука в костях неожиданно слабо зависит от его частоты. Разработан метод математического моделирования тканей с помощью ультразвуковых сигналов. Согласно этому методу измеряется величина ослабления звукового сигнала, прошедшего через ткань, а также изменение фазы сигнала в зависимости от частоты ультразвука. Выполняя Фурье-преобразования с измеренными сигналами, определяют частотный отклик ткани и с помощью ЭВМ вычерчивают электронный аналог модели ткани. Тщательный анализ полученной документализированной модели позволяет обнаружить участки ткани даже с незначительной патологией, которая могла ускользнуть от внимания врача-исследователя при простом "просвечивании" ткани с помощью того же ультразвука. Венцом ультразвуковой медицинской визуализации можно считать приведенную в книге Г. Чедда картину расположения пяти близнецов в утробе матери. Едва ли какой-нибудь врач решился бы применить для получения подобного изображения рентгеновские лучи. Ультразвуковое же облучение (в определенных дозах) абсолютно безвредно. Применение комплексной диагностической системы, состоящей из ультразвукового визуализатора, кардиографа и автоматического фоноскопа, анализирующего звуки сердечных сокращений, позволяет в наилучшей степени установить вид того или иного сердечного заболевания. Характерная для современной электроники миниатюризация и микроминиатюризация ее элементов дает возможность получать сравнительно небольшие по размерам и даже переносные ультразвуковые системы медицинской диагностики, что позволяет применять их не только в специализированных клиниках и стационарах, но даже, например, на судах, Автор обещал читателю не касаться ультразвуковой терапии, но невозможно не упомянуть о некоторых свежих и смелых идеях, выдвинутых в последнее время отечественными и иностранными учеными. Например, установлено, что ультразвук может использоваться как средство усиления действия гамма-облучения на злокачественные опухоли. Обнаружено также, что при ультразвуковом облучении повышается чувствительность живой клетки к воздействию химических веществ. Это открывает пути к созданию новых, более безвредных вакцин, ибо при их изготовлении можно будет использовать химические реактивы значительно меньшей концентрации. Уже появился новый метод лечения -- фонофорез, когда на кожный покров или слизистую оболочку наносится жидкое лекарство или мазь и затем эта поверхность обрабатывается ультразвуком. Победное шествие ультразвука в промышленности, химии, медицине и других областях человеческой деятельности продолжается. ОТ ДЫМОВЫХ ФИГУР ДО АКУСТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Д. И Менделеев "Я первым увидел звук" Надпись на могиле Теплера в Дрездене Акустические измерения... Замечание Леонардо да Винчи: "Опыт -- основа всякой достоверности" -- применимо к ним в полной и, пожалуй, даже особой мере, ибо мало кто в акустике верит одним теоретическим результатам, пусть даже полученным на весьма строгой основе. Видный американский акустик Ф. Морз в предисловии к своей монографии "Колебания и звук" (переведенной в СССР) пишет: "Ни в какой другой области физики основные измерения не представляются столь трудновыполнимыми, как в акустике, тогда как теория относительно проста". Оставим это утверждение на совести его автора, тем более что оно относится к 1936 году, когда акустическими измерениями занимались в различных странах лишь немногие ученые. В 1937 году вышла первая в мире книга по акустическим измерениям (автор Л. Л. Мясников) В ней описаны методы измерений звукового давления, акустического сопротивления, даны основы частотного анализа звука по представлениям того времени. В наши дни область акустических измерений расширилась необычайно, появились новые аспекты, такие, как измерения звукоизоляции, звукопоглощения, виброизоляции, вибропоглощения, гидроакустические измерения, измерения акустических констант материалов и веществ, корреляционные измерения и т п. Монографии по отдельным видам акустических измерений сейчас не редкость. Властно заявляет о себе электронно-вычислительная и управляющая техника. Она позволяет оптимизировать условия измерений, свести к минимуму ошибки. Последние достижения в этой области -- автоматическое управление измерениями при нескольких изменяющихся параметрах измеряемого процесса или условиях, в которых происходит этот процесс. Особенно значительные результаты в этой сложной области получены в СССР А. Е Колесниковым, Б. Д. Тартаковским и другими, в ФРГ -- М. Шредером. Мы остановимся здесь лишь на одном вопросе из области акустических измерений -- вопросе визуализации звука и вибрации. В какой-то мере мы уже касались его при рассмотрении применения ультразвука в промышленности и медицине. В 20--30-е годы нашего столетия для визуализации звуковых полей в воздухе применялись так называемые дымовые фигуры. Легкие частицы дыма, пыли или пудры при воздействии звукового поля принимают его конфигурацию. Стробоскопическое освещение с частотой звука позволяет зафиксировать картину. Метод не требовал какой-либо сложной аппаратуры. Для гидроакустических полей он, естественно, неприменим. Другой метод -- теневой -- достаточно старый и вечно новый. Впервые он был предложен Фуко в середине прошлого столетия для исследования однородности оптических сред и качества обработки оптических деталей. Существо его заключается в следующем. Лучи света от точечного источника проходят через исследуемую среду или изделие, собираются в фокусе и проецируются на экран. В фокусе помещается передвижная заслонка -- нож с острой кромкой (он и поныне называется ножом Фуко). При определенном положении нож срезает изображение источника, но благодаря дифракции света экран все же слабо, хотя и равномерно освещен Если на пути лучей света до ножа Фуко окажется оптически неоднородная среда, лучи изменят свой путь и будут либо попадать на нож, либо, наоборот, проходить поверх него. В первом случае на экране появится тень, во втором возникнет более яркое освещение в соответствующем месте экрана. В целом изображение неоднородности появится на экране, окруженное темными и светлыми полосами. Сгущения и разрежения среды при звуковом процессе связаны с изменением ее плотности, то есть с показателем преломления. Иными словами, это те же оптические неоднородности среды. Преподаватель физики Теплер, возможно, даже не зная в точности прибора Фуко, предложил использовать теневой метод для визуализации звуковых полей. Он получил в мировой практике также название шлирен-метода (Schliere-- оптическая неоднородность среды). Чувствительность метода чрезвычайно высока. Отчетливо фиксируются даже слабые звуковые поля. Если между источником и ножом Фуко поднести руку, будут видны поднимающиеся от нее тепловые потоки (также связанные с изменением показателя преломления среды). На основе теневого метода созданы в различных странах конструкции интерферометров с высокой разрешающей способностью. Если в подобный интерферометр ввести ванну со стенками из оптически однородного стекла, то можно наблюдать звуковые картины в жидкости. На приведенной фотографии видно, как меняется характер рассеяния звуковых лучей в воде от металлических пластинок -- гладкой и снабженной ребрами (периодическими препятствиями). Картина рассеяния звуковых лучей в воде от однородной пластинки и пластинки с периодическими препятствиями Относительно тонкий слой воды, налитой на колеблющуюся пластину, позволяет весьма просто определять места наиболее интенсивных колебаний пластины на различных частотах. До известной меры можно выявить характер излучения звука в водный слой. На вертикальных же пластинах места интенсивной вибрации обнаруживаются по осыпавшейся с пластин меловой пасте. В последнее время для визуализации звука и вибрации предложено применять жидкие кристаллы. Хотя холестериновые вещества трудно сравнить с кристаллами, но именно некоторые виды холестериновых соединений обладают свойством менять цвет в зависимости от температуры пленки или пластинки, на которую они нанесены. Слой холестерина на такой пленке напоминает слой затвердевшей фотоэмульсии.

Если коснуться его пальцем" то вокруг места касания возникнут концентрические разноцветные круги. Каждому цвету при этом соответствует определенная температура. Картина похожа на цвета побежалости на зачищенной поверхности остывающего металла. При звуковых колебаниях происходят изменения температуры частей колеблющегося тела, тем большие, чем больше амплитуда колебаний. Эти изменения определяют цвет нанесенной на тело жидкокристаллической пленки, и можно видеть цветную картину распределения колебаний на поверхности тела. В более сложном устройстве для измерения амплитуды звуковых волн (в том числе поверхностных волн Рэлея) в прозрачных пластинах жидкокристаллический слой помещается между двумя подобными пластинами, установленными между скрещенными поляроидами. При отсутствии звука в пластинах света на экране за вторым поляроидом нет, во время колебаний пластин он появляется. Получены формулы для определения интенсивности колебаний пластин по величине прошедшего через поляроиды света. Появление лазеров дало возможность разработать весьма совершенные установки для визуализации звуковых полей и вибрации. На рисунке приведена полученная И. А. Алдошиной картина колебаний конического диффузора динамического громкоговори- Картина колебаний диффузора громкоговорителя, снятая с помощью лазерной визуализационной установки. теля на частоте 500 герц. Как видно, она достаточно сложна. Анализ подобных картин позволяет разработать звуковоспроизводящие устройства, работающие с минимальными искажениями. Голография занимает сейчас умы многих исследователей. Основным достоинством ее является возможность получения трехмерных изображений. О сложности проблем в этой области можно судить по материалам книги "Акустическая голография", выпущенной издательством "Судостроение" в 1975 году и суммирующей результаты трех ежегодных международных симпозиумов по акустической голографии. Хотя перспективы применения ее велики в самых разнообразных областях (подводное звуковидение, визуализация предметов в мутных средах, что особенно важно при аварийно-спасательных и водолазных работах), но предстоит еще большая работа по повышению качества изображений. Сцептроника. Это недавно возникшее направление визуализации и частотного анализа колебаний связано с волоконной оптикой. Пучок из громадного количества тончайших стеклянных волокон возбуждается с торца исследуемыми колебаниями и одновременно подсвечивается ярким источником света. Каждое из волокон имеет свою частоту свободных колебаний, и, если в спектре исследуемого сигнала имеется составляющая этой частоты, конец волокна приходит в интенсивные колебания, что отражается яркой чертой на экране. Возможна очень плотная упаковка волокон (до нескольких тысяч на один квадратный сантиметр), что сулит создание очень малых по размеру, но широкодиапазонных анализаторов -- визуализаторов. Поскольку возможна визуализация звука тем или иным методом, то, естественно, возможна и "фонизания" света. Световые (или тепловые) сигналы воспринимаются сканирующим устройством и подаются на специальный измерительный магнитофон, обладающий очень широкими частотными и амплитудными характеристиками. При воспроизведении записи через репродуктор отчетливо обнаруживаются на слух места поверхности, наиболее сильно освещенные или нагретые.