Издавна было известно, что человеческий слуховой аппарат воспринимает звуковые колебания воздуха, если они не превосходят 21 000 периодов в секунду (21 000 герц). Но значило ли это, что не может быть колебаний в воздухе, газах или жидкостях с еще большей частотой. Были основания считать, что такие колебания могут быть, но, поскольку человеческое ухо их не улавливает, надо было искать новые способы обнаружения, а также способы их возбуждения.
Такие волны были действительно обнаружены. Их называют ультразвуковыми, или ультраакустическими волнами.
Изучение ультразвуков стало усиленно развиваться с тех пор, как французский физик Ланжевен применил для их получения новый способ, основой которого является использование пластинки из кристаллического кварца, вырезанной так, как это показано на фотографии.
Кварц, как и ряд других кристаллов, обладает свойством электризоваться, если на него производится давление (пьезоэлектричество). И обратно: если пластинку кварца снабдить электродами и зарядить их высоким напряжением, то пластинка будет слегка утолщаться или утончаться (в зависимости от знака заряда).
Накладывая на электроды переменное напряжение, можно получить механические колебания кварца, которые будут особенно сильны, если частота переменного напряжения подходит близко к собственной частоте колебаний пластинкам (резонанс). Собственные колебания кварцевых пластинок небольшого размера лежат в области очень высоких частот.
Эти пластинки колеблются так же, как стальные или бронзовые пластинки камертонов или колоколов, и совершенно так же излучают звуковые волны в окружающую среду, с той лишь разницей, что волны, даваемые кварцевой пластинкой, из-за слишком высокой частоты не слышны.
Как же их обнаружить?
Открытие Ланжевена замечательно тем, что позволяет легко получить ультразвуки такой мощности, что если бы они лежали в слышимой полосе, то разрушили бы слуховой орган. Благодаря огромной силе таких ультразвуковых волн их обнаружение становится особенно легким. На следующей фотографии (внизу) мы видим фонтан, поднимающийся из жидкости.
Этот фонтан вызван пьезокварцевой пластинкой, колеблющейся под слоем трансформаторного масла. Пластинка лежит на куске свинца, и на нее положен сверху листок оловянной фольги. Нижний и верхний электроды присоединяются к катушке самоиндукции генератора электрических колебаний высокой частоты, напряжением в несколько тысяч вольт и мощностью около киловатта.
Сильный фонтан в масле служит показателем мощного волнового процесса, дающего давление, на поверхность жидкости снизу. Если в фонтан внести пробирку, то колебания переходят в стекло и в жидкость, налитую в пробирку. В местах соприкосновения пальцев со стеклом выделяется так много тепла, что происходит ожог, хотя вся пробирка остается холодной.
Если в пробирку налить воды и какого-либо жидкого масла и внести её в фонтан, то почти моментально образуется молочно-белая эмульсия масла в воде. Точно так же легко получается эмульсия ртути, свинца, олова и серы.
Оловянный электрод над кварцем постепенно распыляется в жидкость, и на нем появляются отверстия. Эти новые способы получения мелко раздробленных веществ имеют большое значение. Воздействие ультразвука на фотографическую эмульсию позволило получить очень мелкие зерна, и таким образом создать пластинки, пригодные для получения с негативов крупных увеличений.
Ряд работ, проведенных как за границей, так и в наших лабораториях, показал влияние ультразвука на химические реакции. Получается, например, разложение раствора йодистого калия выделением йода, разложение марганцовокислого калия с выделением двуокиси марганца и т.п. Сложные молекулы крахмала, состоящие из нескольких сотен молекул глюкозы, разбиваются ультразвуком с образованием сперва декстрина, а затем глюкозы. Точно так же разбиваются сложные молекулы желатина и гуммиарабика.
Особо следует отметить резкое выделение растворенных газов, вызываемое ультразвуком.
Инфузории, головастики, маленькие рыбки почти моментально погибают в ультразвуковом поле. Бактерии значительно более стойки. Мы обнаружили лишь некоторое ослабление жизнедеятельности ряда бактерий при продолжительном «озвучивании», но полного их уничтожения, то есть стерилизации, получить не удается.
Наиболее интересным биологическим влиянием ультразвуков является действие их на развитие растений. Мы обнаружили в Институте рентгенологии, что клубни картофеля и семена гороха, бобов и фасоли, подвергнутые в течение нескольких минут «озвучиванию» за 2—3 месяца до посадки, дают очень значительное ускорение всхожести, развиваются энергичней, растения получаются более мощные, и урожай сильно возрастает. Увеличение урожая в большой партии «озвученного» гороха достигло 300% по сравнению с контрольной.
Этот краткий и далеко не полный перечень новых и неожиданных явлений, связанных с неслышными звуками, показывает с большой убедительностью, как часто научные исследования в совершенно новой области, казалось бы совсем далекой от практики, приводят постепенно к выводам, имеющим большое практическое значение.