В 1914–1918 гг. он вместе с русским инженером К. Шиловским предложил использовать для борьбы с подводными лодками неслышимые звуки.
Мысль была очень проста: специальный излучатель посылал в выбранном направлении под водой короткий ультразвуковой сигнал. Если путь был свободен, сигналбежал вперед и терялся в океане. Если же на пути попадался какой-либо предмет, отличавшийся по своей плотности от воды, звук отражался от него и в виде эха бежал обратно к излучателю. Приход эхо-сигнала указывал на наличие в море постороннего предмета.
При этом можно было определить и расстояние, на котором находилось обнаруженное препятствие.
Предположим, что отраженный сигнал пришел через 3 секунды после того, как он был послан. За секунду, как известно, звук проходит в воде приблизительно 1,5 километра, так что за 3 секунды он пройдет около 4,5 километра. Надо только учесть, что звук сначаладвигается вперед, а затем возвращается, поэтому найденную величину делят пополам. Следовательно, в приведенном примере обнаруженный предмет находился на расстоянии немногим больше 2 километров.
У читателя, естественно, возникнет вопрос: почему для устройства такого прибора необходим ультразвук? Нельзя ли было воспользоваться самым обычным, слышимым звуком?
Незадолго до этого, в 1912 году, около берегов Северной Америки столкнулся с ледяной горой и в несколько минут пошел ко дну вместе с тысячами пассажиров огромный английский пароход «Титаник». Весть о трагической гибели «Титаника» быстро облетела весь мир. Люди задумались над тем, как избежать в будущем подобных катастроф.
Не может ли звуковое эхо предупреждать команду корабля о грозящей опасности?
Однако создать такой прибор не удалось. Помешало этому одно из основных свойств звука.
Представьте себе, что летней ночью вы стоите в саду возле открытого окна. Мелодичные звуки рояля льются из комнаты и медленно теряются в ночной тиши.
Обратите внимание на то, как резко очерчен светлый квадрат окна на песке дорожки. Если вы хотите прочитать что-либо при свете, падающем из окна, вам необходимо стать на пути световых лучей, и достаточно немного отступить в сторону, чтобы оказаться в полной темноте. Прямыми, как стрелы, лучами распространяются световые волны.
Иначе ведет себя звук.
Отойдите в сторону от окна, и это не помешает вам слушать музыку. Можно даже стать сбоку от окна, совсем близко к стене дома, и все же звуковые волны достигнут вас. Не думайте, что звуки, которые вы слышите, проходят сквозь стену. Закрыв окно, вы убедитесь, что звуки шли именно из окна.
Почему же световая волна распространяется резко ограниченным лучом, а звуковая расходится по всем направлениям, наподобие тех волн, какие возникают на поверхности воды от брошенного камня?
Это различие вызвано разницей в длине волн.
Будет ли волна распространяться направленно, как свет, или сразу во всех направлениях, как звук, зависит от соотношения между размерами источника волнового движения, колеблющегося тела или отверстия в преграде, через которое проходит волна, идущая от какого-либо источника, расположенного за преградой, и длиною волны.
Если размер отверстия меньше длины волны или близок к ней, волна будет распространяться сразу во всех направлениях, подобно тому, как это изображено на рис. I, а.
Именно так обстоит дело в примере со звуками, идущими из открытого окна. Невысокие звуки рояля имеют длину волны около метра; такая длина волны близка к размерам окна, через которое звуки проникают в сад, поэтому-то звук и распространяется сразу во всех направлениях.
Если же отверстие в преграде значительно больше длины волны, то излучение будет направленным: волна будет распространяться в виде луча с более или менее резко ограниченными краями, как показано на рис. I, б.
Длина волны световых лучей измеряется десятитысячными долями миллиметра. По сравнению с длиной световой волны размеры окна огромны, именно поэтому так резко ограничен световой луч.
Распространение волны, посылаемой излучателем, сходно с распространением ее из отверстия в преграде, расположенной на пути волны. Поэтому и в том случае, если окно заменить соответствующим излучателем, звуковые волны будут расходиться по-прежнему во всех направлениях.
Этим и объясняется неудача попыток применить слышимые звуки для обнаружения препятствий на пути корабля. От обычного источника звука эхо будет приходить не только от предметов, расположенных впереди корабля, но и от тех, которые находятся сбоку и даже позади.
При желании можно и звук сделать таким же направленным, как свет; для этого необходимо или увеличить размеры излучателя звука, или уменьшить длину звуковой волны, то есть увеличить ее частоту. Практически оказывается, что для получения сравнительно мало расходящегося звукового луча надо пользоваться ультразвуковыми волнами.
Уже в первых опытах с ультразвуком было замечено, что он действительно распространяется узким пучком. Причина этого для нас сейчас ясна. В самом деле, в воде ультразвук частотою 20 тысяч колебаний в секунду имеет длину волны всего 7,5 сантиметра; таким образом, вибратор диаметром 50 сантиметров будет превышать длину волны в 6,6 раза.
Излучение такого вибратора будет направленным, подобно световому лучу.
Для того чтобы сделать столь же направленными обычные слышимые звуки, потребовалось бы сконструировать источник звука размером около 10 метров! Использовать такой прибор практически невозможно. Теперь нам ясно, почему Ланжевен для обнаружения подводных лодок воспользовался именно ультразвуком, который легко направить в виде узкого лучика в выбранном направлении.
Казалось бы, задача борьбы с подводными пиратами была решена. Но это впечатление было обманчивым. На пути к осуществлению простой идеи Ланжевена и Шиловского стояло еще много трудностей. И камертоны и свистки Гальтона давали очень слабые ультразвуки, и с их помощью нельзя было обнаружить подводные лодки. Отсутствие соответствующих источников ультразвука не позволило применить его и для обнаружения айсбергов, хотя после гибели «Титаника» такие предложения высказывались.
Практика поставила перед наукой новую задачу: необходимо было создать мощный источник ультразвука.