Звук - это физический процесс распространения упругих волн в среде, с одной стороны, а с другой - это психофизиологический процесс, связанный с первым процессом.
В физике звуком называют любые упругие волны, при этом волны, частота которых меньше 16 Гц называются инфразвуковыми, а волны с частотами большими 20 кГц называются ультразвуковыми. Ультразвуковые волны с частотами выше ${10}^9Гц$ называют гиперзвуковыми.
Ультразвук
Ультразвуковая волна состоит из чередований сгустков и участков разряжения частиц среды. Ультразвуковая волна распространяется со скоростью, зависящей от свойств вещества и его температуры. Скорость звуковой волны в воздухе при температуре 200 С равна примерно 343,1 $\frac{м}{с}$.
Так как длина волны ($\lambda $) зависит от частоты, с ростом частоты длина волны уменьшается, следовательно, длина ультразвуковой волны много меньше, чем длина волны звука, который слышит человек.
Излучатели и приемники ультразвука
Ультразвуком называются механические волны, частота которых более 2$\cdot {10}^4$Гц. Верхний предел частоты ультразвука определяют расстояния между молекулами, следовательно, зависит от агрегатного состояния среды, в которой он распространяется. Ультразвук может возникать как в результате природных процессов, так и генерироваться искусственно.
К естественным источникам ультразвука можно отнести животных, которые его издают. Животные генерируют и воспринимают ультразвук при помощи специальных рецепторных аппаратов. Ультразвук помогает им ориентироваться в пространстве. Ультразвуковые колебания, создаваемые животными, отражаются от предметов и воспринимаются специализированными органами слуха как преграды на пути. Издавать ультразвуки могут так же, например, кузнечики, сверчки, дельфины. Слуховой аппарат некоторых насекомых, птиц и животных способен воспринимать более широкий диапазон колебаний звука, чем у человека.
Так верхние границы звуковых частот воспринимаемых:
- лягушками составляет $\nu =3\cdot {10}^4Гц$;
- собаками$\ \nu =6\cdot {10}^4Гц$;
- кошками $\nu ={10}^5Гц$;
- кузнечиками $\nu ={10}^5Гц$;
- летучими мышами $\nu =1,5\cdot {10}^5Гц$;
- бабочками $\nu =1,6\cdot {10}^5Гц$;
- дельфинами $\nu =2\cdot {10}^5Гц$;
- чайками $\nu =8\cdot {10}^3Гц.$
Генерировать ультразвук может и неживая природа. Он возникает при ветре, ультразвуковые частоты имеются в шуме водопада и звуках моря.
Технические устройства при своей работе способны издавать ультразвук, например, некоторые двигатели и станки.
Ультразвук получают целенаправленно с помощью генераторов ультразвука. Для того чтобы регистрировать и анализировать ультразвук используют пьезоэлектрические или магнитострикционные датчики.
Биологические последствия воздействия волн ультразвука
Биологические эффекты, которые способны вызывать ультразвуковые волны зависят от интенсивности, частоты и длительности воздействия. Если ультразвуковые волны имеют низкую интенсивность и ими облучают биологический объект, то возникает микровибрация на уровне клетки. При этом активизируются транспортные процессы, улучшаются процессы обмена в тканях, достигается положительный эффект. При увеличении интенсивности ультразвуковое давление может вести к повреждению молекул. При длительном воздействии ультразвука, например, на производстве у человека возникает повышенная утомляемость, сонливость, может наступить расстройство нервной системы.
Инфразвук
Инфразвуком называют упругие механические волны, имеющие частоты ниже частот слышимого человеком звука. Верхняя граница инфразвуковых волн 16-25 Гц, верхняя граница не определена.
Инфразвук мало поглощается в разных веществах, поэтому эти волны способны распространяться на большие расстояния.
Источники инфразвука
Инфразвук имеется в шуме атмосферы, деревьев в лесу и воды в море. В коре Земли можно детектировать инфразвуковые частоты от разных источников, например, обвалов, взрывов, работы транспорта.
Так называемый «голос моря» - это волны инфразвука, которые появляются над морской поверхностью, как результат образования вихрей за гребнями волн при сильном ветре. Так как инфразвук мало поглощается, то «голос моря» может распространяться на большие расстояния и достаточно большой скоростью. Это свойство инфразвука служит для предсказания шторма. Некоторые живые организмы способны воспринимать инфразвук. Так медузы имеют «инфа уши», которые слышат инфразвук, имеющий частоту 8-13 Гц. Если шторм находится ещё за сотни километров от берега и приблизится к нему почти через сутки, то медузы его уже слышат и уходят в глубину вод.
Источником инфразвука служат: ураганы, бури и некоторые виды землетрясений. Некоторые животные используют инфразвук при охоте, так считают, что тигр может издавать рев, имеющий частоту 18 Гц. Слоны применяют инфразвук для коммуникаций.
Человек не слышит инфразвук, но эти волны способны вызывать у него беспокойство, страх. Инфразвук может вызывать у человека агрессию.
Некоторые музыкальные инструменты позволяют генерировать инфразвуки. Некоторые музыкальные произведения, состоящие из прерывистых пульсаций, могут вызвать биопсихическую реакцию организма человека, которая может оказать влияние на функции органов человека.
Механизмы, которые работают с частотами меньшими 20$\frac{об}{с},$ генерируют инфразвук. Если автомобиль перемещается со скоростью более 100 $\frac{км}{ч}$, то он источник инфразвука, появляющегося за счет отрыва потока воздуха с его поверхности.
Действие волн инфразвука
Многие процессы, которые происходят в организме человека, находятся в диапазоне частот соответствующем частоте инфразвука, так:
- человеческое сердце сокращается с частотой 1-2 Гц;
- дельта - ритм мозга составляет 0,5-3,5 Гц;
- альфа ритм мозга - 8-13 Гц.
Если колебания инфразвуковой волны совпадает с колебаниями органов человека, то вследствие резонанса, можно получить травму резонирующего органа. От 8 до 15 Гц - это собственная частота колебаний человеческого тела. Можно сказать, что любое движение каждой мышцы создает затухающую микро судорогу тела с этой частотой. Если на тело человека воздействовать инфразвуком и попасть в резонанс, амплитуда микро судорог увеличится в десятки раз.
При частоте инфразвука 7-13 Гц (частота землетрясений и тайфунов, извержения вулканов) животные стараются покинуть очаг стихийного бедствия.
Самым опасным считают инфразвук с частотами 6-9 Гц. Частота инфразвука 7 Гц соответствует колебаниям мозга в состоянии покоя, при таком звуке психотропный эффект максимален, любая умственная нагрузка невозможна, голова разрывается. В середине XX века экспериментально установили, что при частоте инфразвука 6 Гц человек чувствует усталость, затем беспокойство, которое переходит в ужас. При 7 Гц возможно наступление паралича сердца и нервной системы.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Летучая мышь издает ультразвук с частотой ${\nu }_0,$ двигаясь в направлении неподвижного резонатора, который настроен на частоту ${\nu }_r\ (рис.1)$. С какой скоростью двигалась мышь, если созданные ей звуковые волны вызвали колебания резонатора? Температура воздуха $T,\ $молярная масса $\mu $, коэффициент Пуассона - $\gamma $.
Решение. В соответствии с эффектом Доплера частота звука, который будет воспринимать резонатор, равна:
\[\nu =\frac{v"+u}{v"-v}{\nu }_0\left(1.1\right),\]
где ${\nu }_0$ - частота звука, который издает мышь; $v"$ - скорость звука в веществе (в воздухе). Так как резонатор неподвижен, то выражение (1.1) преобразуем к виду:
\[\nu =\frac{v"}{v"-v}{\nu }_0\left(1.2\right),\]
Из формулы (1.2) получим скорость полета мыши:
Скорость звука найдем, как:
Для того чтобы волны, которые приходят к резонатору вызывали его колебания их частота должна совпадать с собственной частотой резонатора:
\[\nu ={\nu }_r\left(1.5\right).\]
Учитывая (1.4) и (1.5) выражение (1.3) преобразуем к виду:
Ответ. $v=\sqrt{\frac{\gamma RT}{\mu }}\left(1-\frac{{\nu }_0}{{\nu }_r}\right)\ \frac{м}{с}$
Пример 2
Задание. Почему для коммуникации дельфины применяют ультразвуки с частотой порядка 10-400 Гц, а для звуковой локации используют частоты 750 - $3\cdot {10}^5Гц$?
Решение. Для того чтобы получить большую точность местоположения окружающих объектов следует применять волны, имеющие большие частоты (небольшие длины), так как если размеры предметов больше длины волны, то получается зеркальное отражение волны. С целью осуществления коммуникации целесообразнее использовать длинные волны (низкие частоты), которые слабо затухают при преодолении существенных расстояний.
Р е ф е р а т
По дисциплине: физика биологических
систем
на тему: Ультразвуки и инфразвуки
в природе и технике
Введение
Инфразвук (от латинского infra - ниже, под),
упругие волны, аналогичные звуковым,
но с частотами ниже области слышимых
человеком частот. Обычно за верхнюю границу
инфразвуковой области принимают частоты
16--25 Гц. Нижняя граница инфразвукового
диапазона неопределенна. Практический
интерес могут представлять колебания
от десятых и даже сотых долей Гц., т. е.
с периодами в десяток секунд. Обычно слух
человека воспринимает колебания в пределах
16-20000 Гц (колебаний в секунду). Инфразвук
вызывает нервное перенапряжение, недомогание,
головокружение, изменение деятельности
внутренних органов, особенно нервной
и сердечно - сосудистой систем.
Для инфразвука характерно малое поглощение
в различных средах вследствие чего инфразвуковые
волны в воздухе, воде и в земной коре могут
распространяться на очень далёкие расстояния.
Это явление находит практическое применение
при определении места сильных взрывов
или положения стреляющего орудия. Распространение
инфразвука на большие расстояния в море
даёт возможность предсказания стихийного
бедствия -- цунами. Звуки взрывов, содержащие
большое количество инфразвуковых частот,
применяются для исследования верхних
слоев атмосферы, свойств водной среды.
"Голос моря" - это инфразвуковые
волны, возникающие над поверхностью моря
при сильном ветре, в результате вихреобразования
за гребнями волн. Вследствие того, что
для инфразвука характерно малое поглощение,
он может распространяться на большие
расстояния, а поскольку скорость его
распространения значительно превышает
скорость перемещения области шторма,
то "голос моря" может служить для
заблаговременного предсказания шторма.
Своеобразными индикаторами шторма являются
медузы. На краю "колокола" у медузы
расположены примитивные глаза и органы
равновесия - слуховые колбочки величиной
с булавочную головку. Это и есть "уши"
медузы. Они слышат инфразвуки с частотой
8 - 13 Гц. Шторм разыгрывается еще за сотни
километров от берега, он придет в эти
места примерно часов через 20, а медузы
уже слышат его и уходят на глубину. Длина
инфразвуковой волны весьма велика (на
частоте 3.5 Гц она равна 100 метрам), проникновение
в ткани тела также велико. Можно сказать,
что человек слышит инфразвук «всем телом».
Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее
время более широкий смысл, чем просто
обозначение высокочастотной части спектра
акустических волн. С ним связаны целые
области современной физики, промышленной
технологии, информационной и измерительной
техники, медицины и биологии. Хотя первые
ультразвуковые исследования были выполнены
ещё в позапрошлом веке, основы широкого
практического применения ультразвука
были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как
область науки и техники ультразвук получил
особенно бурное развитие в последние
три-четыре десятилетия. Это связано с
общим прогрессом акустики как науки и,
в частности, со становлением и развитием
таких её разделов, как нелинейная акустика
и квантовая акустика, а также с развитием
физики твёрдого тела, электроники и в
особенности с рождением квантовой электроники.
Широкое распространение ультразвуковых
методов обусловлено появлением новых
надёжных средств излучения и приёма акустических
волн, с одной стороны, обеспечивших возможность
существенного повышения излучаемой ультразвуковой
мощности и увеличения чувствительности
при приёме слабых сигналов, а с другой
-- позволивших продвинуть верхнюю границу
диапазона излучаемых и принимаемых волн
в область гиперзвуковых частот. Характерной
особенностью современного состояния
физики и техники ультразвука является
чрезвычайное многообразие его применений,
охватывающих частотный диапазон от слышимого
звука до предельно достижимых высоких
частот и область мощностей от долей милливатта
до десятков киловатт.
Ультразвук применяется в металлургии
для воздействия на расплавленный металл
и в микроэлектронике и приборостроении
для прецизионной обработки тончайших
деталей. В качестве средства получения
информации он служит как для измерения
глубины, локации подводных препятствий
в океане, так и для обнаружения микродефектов
в ответственных деталях и изделиях. Ультразвуковые
методы используются для фиксации малейших
изменений химического состава веществ
и для определения степени затвердевания
бетона в теле плотины. В области контрольно-измерительных
применений ультразвука в самостоятельный,
установившийся раздел выделилась ультразвуковая
дефектоскопия, возможности которой и
разнообразие решаемых ею задач существенно
возросли. В самое последнее время сформировались
как самостоятельные области акустоэлектроника
и акустооптика. Первая из них связана
с обработкой электрических сигналов,
использующей преобразование их в ультразвуковые.
Из устройств акустоэлектроники наиболее
известными и давно используемыми являются
линии задержки и фильтры. Достижения
в области изучения поверхностных волн,
генерации и приёма гиперзвуковых волн,
установление связи упругих волн с элементарными
возбуждениями в твёрдом теле привели
к существенному расширению возможностей
этих устройств и к созданию новых приборов
акустоэлектроники, обеспечивающих более
сложную обработку сигналов. Акустооптика,
связанная с обработкой световых сигналов
посредством ультразвука, является одной
из самых молодых и быстро развивающихся
областей ультразвуковой техники. К новейшим
ультразвуковым методам принадлежит акустическая
голография, перспективы которой весьма
многообещающи, поскольку она создаёт
возможность получения изображений предметов
в непрозрачных для световых лучей средах.
Рассматривая многообразие практических
применений ультразвуковых колебаний
и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой
медицинской диагностике, которая даёт
в ряде случаев более детальную информацию
и является более безопасной, чем другие
методы диагностики. Об ультразвуковой
терапии, занявшей прочное положение среди
современных физиотерапевтических методов,
и, наконец, о новейшем направлении применения
ультразвука в медицине -- ультразвуковой
хирургии. Наряду с применениями практического
характера, ультразвук играет важную роль
в научных исследованиях. Нельзя себе
представить современную физику твёрдого
тела без применения ультразвуковых и
гиперзвуковых методов, без понятия о
фотонах, их поведении и взаимодействиях
с различными полями и возбуждениями в
твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов
широко используются методы молекулярной
акустики; всё большую роль играют ультразвуковые
методы в биологии. Интерес к ультразвуку,
к ультразвуковой технике всё возрастает,
благодаря его проникновению в самые различные
области человеческой деятельности. Растёт
число публикаций о нём в газетах и журналах,
в популярных изданиях. Инженеры и научные
работники, занятые в самых различных
областях народного хозяйства и науки,
оценивают возможности использования
ультразвуковых методов для своих конкретных
задач и в связи с этим хотят получить
представление о различных аспектах физики
и техники ультразвука на современном
уровне. Однако имеющаяся научно-техническая
литература в настоящее время не в состоянии
полностью удовлетворить такую потребность.
Известные издания общего характера, посвящённые
физике и технике ультразвука, зачастую
не соответствуют современному состоянию
науки. Опубликованные в последние годы
специальные монографии научного и прнкладного
характера предназначены для подготовленных
читателей, обладающих достаточным запасом
знаний в области акустики и смежных разделов
физики, например, физики твёрдого тела,
или в какой-то определенной, связанной
с ультразвуком отрасли техники. В этой
работе описаны основные темы, касающиеся
инфразвука, ультразвука в природе и технике.
Ультразвук, инфразвук и человек
Ультразвуком называют механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/см 2).
Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома.
Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер.
При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции.
Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия.
Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект. Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, составляет гигиеническое нормирование.
В соответствии с ГОСТ 12.1.01-89 "Ультразвук. Общие требования безопасности", "Санитарными нормами и правилами при работе на промышленных ультразвуковых установках" (№ 1733-77) ограничиваются уровни звукового давления в высокочастотной области слышимых звуков и ультразвуков на рабочих местах (от 80 до 110 дБ при среднегеометрических частотах третьоктавных полос от 12,5 до 100 кГц).
Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм операторов технологических установок, персонала лечебно-диагностических кабинетов состоят в первую очередь в проведении мероприятий технического характера. К ним относятся создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах на 20-40 дБ; размещение оборудования в звуко-изолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением; оборудование звукоизолирующих устройств, кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами.
При проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона - не ниже 22 кГц.
Чтобы исключить воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо устанавливать систему автоматического отключения ультразвуковых преобразователей при операциях, во время которых возможен контакт (например, загрузка и выгрузка материалов). Для защиты рук от контактного действия ультразвука рекомендуется применение специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой.
Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты - противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой и др.
Развитие техники и транспортны) средств, совершенствование технологических процессов и оборудования сопровождаются увеличением мощности и габаритов машин что обусловливает тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах и появление инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.
Инфразвуком называют акустические колебания с частого! ниже 20 Гц. Этот частотный диапазон лежит ниже порога слышимости и человеческое ухо не способно воспринимать колебания указанных частот.
Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов что и шум слышимых частот. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения).
Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.
Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора.
В соответствии с Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах (№ 2274-80) по характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. Гармонический характер спектра устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный.
Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц. Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ Лин. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.
Наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение должно отдаваться малогабаритным машинам большой жесткости, так как в конструкциях с плоскими поверхностями большой площади и малой жесткости создаются условия для генерации инфразвука. Борьбу с инфразвуком в источнике возникновения необходимо вести в направлении изменения режима работы технологического оборудования - увеличения его быстроходности (например, увеличение числа рабочих ходов кузнечно-прессовых машин, чтобы основная частота следования силовых импульсов лежала за пределами инфразвукового диапазона).
Должны приниматься меры по снижению интенсивности аэродинамических процессов - ограничение скоростей движения транспорта, снижение скоростей истечения жидкостей (авиационные и ракетные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, системы сброса пара тепловых электростанций и т.д.).
В борьбе с инфразвуком на путях распространения определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа, обычно при наличии дискретных составляющих в спектре инфразвука.
Выполненное в последнее время теоретическое обоснование течения нелинейных процессов в поглотителях резонансного типа открывает реальные пути конструирования звукопоглощающих панелей, кожухов, эффективных в области низких частот.
В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия сопутствующего шума. К мерам профилактики организационного плана следует отнести соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ. При контакте с ультразвуком более 50% рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 часа работы. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур - массаж, УТ-облучение, водные процедуры, витаминизация и др.
Ультразвук и инфразвук в приро де
То, что у дельфина необычайно развитый
слух, известно уже десятки лет. Объемы
тех отделов мозга, которые заведуют слуховыми
функциями, у него в десятки(!) раз больше,
чем у человека (при том, что общий объем
мозга примерно одинаков). Дельфин способен
воспринимать частоты звуковых колебаний,
в 10 раз более высокие (до 150 кГц), чем человек
(до 15-18 кГц), и слышит звуки, мощность которых
в 10-30 раз ниже, чем у звуков, доступных
слуху человека, каким бы хорошим ни было
зрение дельфина, его возможности ограничены
из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому
основные сведения об окружающей обстановке
дельфин получает с помощью слуха. При
этом он использует активную локацию:
слушает эхо, возникающее при отражении
издаваемых им звуков от окружающих предметов.
Эхо дает ему точные сведения не только
о положении предметов, но и об их величине,
форме, материале. Иными словами, слух
позволяет дельфину воспринимать окружающий
мир не хуже или даже лучше, чем зрение.
Слух человека позволяет различать интервалы
времени примерно от одной сотой секунды
(10 мс). Дельфины же различают интервалы
в десятитысячные доли секунды (0.1-0.3 мс).
То же наблюдается и при действии других
пробных звуков. Два коротких звуковых
импульса отличаются от одного, когда
интервал между ними составляет всего
0.2-0.3 мс (у человека - несколько мс). Пульсации
громкости звука вызывают ответы, когда
их частота приближается к 2 кГц (у человека
- 50-70 Гц).
Сонары летучих мышей.
Природа наградила летучих мышей способностью
издавать звуки с частотой колебаний выше
20000 герц, то есть ультразвуки, недоступные
уху человека. Локатор летучих мышей высокоточен,
надежен и ультраминиатюрен. Он всегда
находится в рабочем состоянии и во много
раз эффективнее всех локационных систем,
созданных человеком. С помощью такого
ультразвукового "видения" летучие
мыши обнаруживают в темноте натянутую
проволоку диаметром 0,12-0,05 мм, улавливают
эхо, которое в 2000 раз слабее посылаемого
сигнала, на фоне множества звуковых помех
могут выделять полезный звук, то есть
только тот диапазон, который им нужен.
Летучие мыши издают звуки высотой в 50
000-60 000 Гц и воспринимают их. Этим объясняется
их способность избегать столкновения
с предметами даже при выключенном зрении
(принцип радара). В пределах своего диапазона
нормальное человеческое ухо воспринимает
все тоны беспрерывно, без пропусков.
У летучих мышей ультразвуки обычно возникают
в гортани, которая по устройству напоминает
обычный свисток. Выдыхаемый из легких
воздух вихрем проносится через него и
с такой силой вырывается наружу, словно
выброшен взрывом. Давление проносящегося
через гортань воздуха вдвое больше, чем
в паровом котле! Более того, издаваемые
звуки очень громкие: если бы мы их улавливали,
то воспринимали бы, как рев двигателя
реактивного истребителя с близкого расстояния.
Не глохнут же летучие мыши потому, что
у них есть мышцы, закрывающие уши в момент
испускания разведывательных ультразвуков.
Безопасность ушей гарантируется совершенством
их конструкции: при максимальной частоте
следования зондирующих импульсов - 250
в секунду - заслонка в ухе летучей мыши
успевает открываться и закрываться 500
раз в секунду.
Поскольку скорость звука значительно
превышает скорость движения даже быстрокрылых
птиц, эхолокацией можно пользоваться
и во время полета. Самым совершенным локатором
обладают летучие мыши, развивающие во
время охоты большую скорость и постоянно
выполняющие в воздухе фигуры высшего
пилотажа. О качестве "локаторного"
слуха свидетельствуют результаты охоты:
самые маленькие хищники уже за 15 минут
охоты на комаров, мошек и москитов увеличивают
свой вес на 10 процентов. "Навигационный
прибор" настолько точен, что в состоянии
запеленговать микроскопически малый
предмет диаметром всего 0,1 миллиметра.
Дональд Гриффин, исследователь эхолокаторов
летучих мышей (давший, кстати, им это название),
считает, что если бы не эхолот, даже всю
ночь, летая с открытым ртом, летучая мышь
поймала бы по закону случая одного-единственного
комара.
Другие природные сонары.
Сонары имеются также и у ряда других видов
животных. Они есть у кашалотов, которые
используют их для поиска скоплений глубоководных
кальмаров. Сонар кашалота своеобразная
дальнобойная пушка", имеющая длину
до 5 м и занимающая почти треть тела животного.
Эхолокация обнаружена у обитающих в Америке
птиц гуахаро. Их сонары менее совершенны,
чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают
на относительно низких частотах, а именно
в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро
не замечают в темноте объектов, имеющих
небольшие размеры. В пещерах гуахаро
очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные
крики, напоминающие плач и стоны, трудно
переносимые для непривычного уха.
Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы,
обитающие в Индонезии и на островах Тихого
океана. У разных видов саланганов сонары
работают на разных частотах: 2000 до 7000
Гц. Любопытно, что когда птица сидит, её
эхолокационный аппарат не работает; локационные
импульсы посылаются только в полете (при
взмахивании крыльями). Не работает сонар
саланганов и на свету.
Ультразвук и инфразвук в техни ке
В настоящее время инфразвук начинают медленно использовать в медицине. В основном при лечении рака (удаление опухолей), в микрохирургии глаза (лечение заболеваний роговицы) и в некоторых других областях. В России впервые лечение инфразвуком роговицы глаза применили в Российской детской клинической больнице. Впервые в практике детской офтальмологии при лечении заболеваний роговицы применен инфразвук и инфразвуковой фонофорез. Подведение лекарственных веществ к роговице с помощью инфразвука позволило не только ускорить процесс выздоровления, но и способствовало рассасыванию стойких помутнений роговицы, а также снизить количество рецидивов заболевания. Сейчас существуют немало физиоотерапевтических аппаратов использующих метод лечения инфразвуком. Но они имеют применение лишь в узких специализациях. По применению инфразвука против рака известно очень мало, существуют единичные устройства такого типа. Хотя перспективность их применения не вызывает больших сомнений. Сложность применения обусловлена тем, что инфразвук оказывает губительное воздействие на живой организм, нужно провести сотни испытаний и много лет работы, чтобы найти подходящие параметры воздействия. Будущее этого метода не за горами.
Инфразвуковое (психотронное) оружие и его применение
В XXI веке имеются сведения по разработке
и испытаниях инфразвукового оружия некоторыми
странами - лидерами на военно-политической
мировой арене, в том числе непременно
США и Россией. Создатели сверхоружия,
основанного на воздействии инфразвука,
утверждают, что оно полностью подавляет
противника, вызывая у него такие "неотвратимые"
последствия, как тошнота и рвота. В основном
инфразвуковое оружие применяют против
живой силы. По данным исследований, проводившихся
в некоторых странах, инфразвуковые колебания
могут воздействовать на центральную
нервную систему и пищеварительные органы,
вызывая паралич, рвоту и спазмы, приводить
к общему недомоганию и болевым ощущениям
во внутренних органах, а при более высоких
уровнях на частотах в единицы Гц - к головокружению,
тошноте, потере сознания, а иногда к слепоте
и даже смерти.
Инфразвуковое оружие может также вызывать
у людей паническое состояние, потерю
контроля над собой и непреодолимое желание
укрыться от источника поражения(!), что
особенно ценно в условиях войны. Определенные
частоты могут воздействовать на среднее
ухо, вызывая вибрации, которые в свою
очередь, становятся причиной ощущений
сродни тем, какие бывают при укачивании,
морской болезни. Дальность его действия
определяется излучаемой мощностью, значением
несущей частоты, шириной диаграммы направленности
и условиями распространения акустических
колебаний в реальной сред Разработчики
вооружения такого вида и исследователи
его ужасных последствий потратили немало
денег из государственной казны.
Инфразвуковое оружие - один из видов ОМП
(оружие массового поражения), основанного
на использовании направленного излучения
мощных инфразвуковых колебаний. Прототипы
такого оружия уже существуют и неоднократно
рассматривались в качестве возможного
объекта для испытаний. Практический интерес
представляют колебания с частотой от
десятых и даже сотых долей до единиц Гц.
Для инфразвука характерно малое поглощение
в различных средах, вследствие чего инфразвуковые
волны в воздухе, в воде и в земной коре
могут распространяться на большие расстояния,
проникать сквозь бетонные и металлические
преграды. Это оружие оказывает психотронное
воздействие на ЦНС (центральная нервная
система) человека, впоследствии при высоких
частотах выводя из строя весь организм.
В США разработками этого секретного оружия
занимается Пентагон, в частности Минобороны
США. Наряду с разработками инфразвуковой
пушки, там особое внимание уделяют исследованиям
по воздействию этого оружия на человека,
выделяются многомилионные трансферты.
Ивестно, что разработками такого вида
вооружения занимались в СССР, в конце
80-х годов. Из рассказа доктора технических
наук В. Канюка: “Я возглавлял секретный
комплекс в Подлипках. Он входил в НПО
“Энергия” (руководитель - акодемик В.П.
Глушко). Во исполнении закрытого Постановления
ЦК КПСС и Совмина СССР от 27 января 1986 года
мы создали генератор специальных физических
полей. Он был способен корректировать
поведения огромных масс населения. Выведенная
на космическую орбиту, эта аппаратура
охватывала своим “лучем” территорию,
равную Краснодарскому краю. Средства,
ежегодно выделявшиеся на эту и смежные
с ней программы, были эквивалентны пяти
миллиардам долларов(!)...” (да, именно тех
долларов по курсу около 6 руб. за 1 у.е.)
Летом 1991 года комитет Верховного Совета
СССР опубликовал жутковатую цифру. КГБ
(комитет госбезопасности, аналог нашего
ФСБ или американского ФБР), Академия наук,
Министерство обороны и другие ведомства
израсходовали на разработки психотронного
оружия полмиллиарда полновесных дореформенных
рублей. Одной из главных задач было “дистанционное
медико-биологическое и психофизическое
воздействие на войска и население противника”.
В России (по неофициальным данным) существуют
отечественные разработки психотронного
оружия основанного на распространении
инфразвуковых волн “Лава - 5” и “Русло
- 1”. Указывается, что в классификации
средств массового поражения (ею пользуются
военно-промышленные комплексы развитых
стран) появился пункт: “Это оружие с воздействием
на генетический аппарат. В определенных
кругах оно называется “экологически
чистым” и даже “гуманным”, не разрушающим
городов и зачастую не убивающим людей,
например, как ядерное оружие. Несмотря
на низкую разрушающую способность, оно
имеет более высокий КПД против живой
силы противника (за исключением ядерного
оружия и некоторых др.). Это оружие так
же интересно не только военным, но и силам
полиции, как эффективная мера воздействия
во время разгона демонстраций и массовых
беспорядках, оно должно в будущем заменить
водомётные пушки, резиновые пули и дубинки,
слезоточивый газ и др. устаревшие средства.
Его так же называют этническим оружием.
Можно с уверенностью сказать, что инфразвуковое
оружие - это новая веха в разделе оружий
массового поражения.
Применение ультразвука в медицине
Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует
на биологические объекты (например, убивает
бактерии), известно уже более 70 лет, но
до сих пор среди медиков нет единого мнения
о конкретном механизме его воздействия
на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные
УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев
тканей, сопровождаемый микромассажем.
Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках
УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.
Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием
УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей
мозга и постановки диагноза.
Акушерство – область медицины, где эхоимпульсные
УЗ-методы наиболее прочно укоренились,
как, например, ультразвуковое исследование
(УЗИ) движения плода, которое недавно
прочно вошло в практику. Сейчас происходит
накопление информации по движению конечностей
плода, псевдодыханию, по динамике сердца
и сосудов. Пока исследуются физиология
и развитие плода, а до обнаружения аномалий
пока ещё далеко.
Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного
определения размеров глаза, а также для
исследования патологий и аномалий его
структур в случае непрозрачности и, следовательно,
недоступности для обычного оптического
исследования. Область позади глаза –
орбита – доступна обследованию через
глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной
томографией стал одним из основных методов
исследования патологий этой области.
Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются
при обследовании сердца и прилегающих
магистральных сосудов. Это связано с
возможностью быстрого получения пространственной
информации, а также возможностью её объединения
с томографической визуализацией.
Терапия и хирургия. Давно известно, что
УЗ-излучение можно сделать узконаправленным.
Французский физик Поль Ланжевен впервые
заметил его повреждающее действие на
живые организмы. Результаты его наблюдений,
а также сведения о том, что УЗ-волны могут
проникать сквозь мягкие ткани человеческого
организма, привели к тому, что с начала
1930-х гг. возник большой интерес к проблеме
применения ультразвука для терапии различных
заболеваний. Особенно широко ультразвук
стал применяться в физиотерапии. Тем
не менее лишь недавно стал намечаться
научный подход к анализу явлений, возникающих
при взаимодействии УЗ-излучения с биологической
средой. Терапевтический ультразвук можно
разделить на ультразвук низких и высоких
интенсивностей – соответственно неповреждающий
нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты)
и стимуляция и ускорение нормальных физиологических
реакций при лечении повреждений (физиотерапия
и некоторые виды терапии рака). При более
высоких интенсивностях основная цель
– вызвать управляемое избирательное
разрушение в тканях (хирургия). Электронная
аппаратура используется в нейрохирургии
для инактивации отдельных участков головного
мозга мощным сфокусированным высокочастотным
(порядка 1000кГц) пучком.
Другие технологии
Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление
в волне обычного звука в тысячи раз и
легко обнаруживается с помощью микрофонов
в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт
возможность применения ультразвука для
обнаружения косяков рыбы или других подводных
объектов. Одна из первых практических
УЗ-систем обнаружения подводных лодок
появилась в конце Первой мировой войны.
Ультразвуковой расходомер. Принцип
действия такого прибора основан на эффекте
Доплера. Импульсы ультразвука направляются
попеременно по потоку и против него. При
этом скорость прохождения сигнала то
складывается со скоростью потока, то
вычитается из неё. Возникающая разность
фаз импульсов в двух ветвях измерительной
схемы регистрируется электронным оборудованием,
в итоге вычисляется скорость потока,
а по ней – и массовая скорость (расход).
Этот измеритель может применяться как
в замкнутом контуре (например, для исследований
кровотока в аорте или охлаждающей жидкости
в атомном реакторе), так и в открытом (например,
реки).
Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории
маломощных, в которых физические характеристики
среды не изменяются. Но существуют и методы,
в которых на среду направляют ультразвук
большой интенсивности. При этом в жидкости
развивается мощный кавитационный процесс
(образование множества пузырьков, или
каверн, которые при повышении давления
схлопываются), вызывая существенные изменения
физических и химических свойств этой
среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия
на химически активные вещества объединяются
в научно-техническую отрасль знаний,
называемую УЗ-химией. Она исследует и
стимулирует такие процессы, как гидролиз,
окисление, перестройка молекул, полимеризация,
диполимеризация, ускорение реакций.
УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами
в металлических расплавах, и разрушает
оксидную плёнку алюминия, и позволяет
производить его пайку оловянным припоем
без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком
металлов стали обычными промышленными
товарами.
УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется
при машинной обработке деталей из очень
твёрдых и хрупких материалов, как, например,
стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая
сталь. В промышленности также используется
большой ассортимент оборудования для
очистки поверхностей кварцевых кристаллов
и оптического стекла, малых прецизионных
шарикоподшипников, снятия заусенцев
с малогабаритных деталей.
Широко
применяется ультразвук для приготовления
однородных смесей. Ещё в 1927 г. американские
учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если
две несмешивающиеся жидкости (например,
масло и воду)
и т.д.................
Введение
2. Эхопеленг
3. Типы природных сонаров
4. Осязание помогает летучим мышам избегать препятствия
5. Летучие мыши-рыболовы
6. И летучие мыши ошибаются
7. Крики в бездне
8. Радар водяного слона
Заключение
Литература
Введение
Открытие эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Лазаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, - зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя - короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.
Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.
Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.
1. Ультразвуки в живой природе
За последние десять - пятнадцать лет биофизики с изумлением установили, что природа, по-видимому, не очень скупилась, когда наделяла своих детей сонарами. От летучих мышей к дельфинам, от дельфинов к рыбам, птицам, крысам, мышам, обезьянам, к морским свинкам, жукам переходили исследователи со своими приборами, всюду обнаруживая ультразвуки.
Эхолотами вооружены, оказывается, многие птицы. Зуйки-галстучники, кроншнепы, совы и некоторые певчие птицы, застигнутые в полете туманом и темнотой, разведывают путь с помощью звуковых волн. Криком они «ощупывают» землю и по характеру эха узнают о высоте полета, близости препятствий, о рельефе местности.
Очевидно, с целью эхолокации издают ультразвуки небольшой частоты (двадцать - восемьдесят килогерц) и другие животные - морские свинки, крысы, сумчатые летяги и даже некоторые южноамериканские обезьяны.
Мыши и землеройки в экспериментальных лабораториях, прежде чем пуститься в путь по темным закоулкам лабиринтов, в которых испытывали их память, посылали вперед быстрокрылых разведчиков - ультразвуки. В полной темноте они отлично находят норы в земле. И тут помогает эхолот: из этих дыр эхо не возвращается!
Жирные козодои, или гуахаро, как их называют в Америке, живут в пещерах Перу, Венесуэлы, Гвианы и на острове Тринидад. Если вздумаете нанести им визит, запаситесь терпением, а главное лестницами и электрическими фонарями. Необходимо также и некоторое знакомство с основами альпинизма, потому что козодои гнездятся в горах и часто, чтобы до них добраться, приходится карабкаться по отвесным скалам.
А как войдете со всем этим снаряжением в пещеру, вовремя заткните уши, потому что тысячи птиц, разбуженных светом, сорвутся с карнизов и стен и с оглушительным криком станут метаться у вас над головой. Птицы крупные, до метра в размахе крыльев, шоколадно-коричневые с большими белыми пятнами. Глядя на их виртуозные маневры в мрачных гротах Аидова царства, все поражаются и задают один и тот же вопрос: как умудряются эти пернатые троглодиты, летая в полной темноте, не натыкаться на стены, на всякие там сталактиты и сталагмиты, которые подпирают своды подземелий?
Погасите свет и прислушайтесь. Полетав немного, птицы скоро успокоятся, перестанут кричать, и тогда вы услышите мягкие взмахи крыльев и как аккомпанемент к ним негромкое щелканье. Вот и ответ на ваш вопрос!
Конечно, это работают эхолоты. Их сигналы улавливает и наше ухо, потому что звучат они в диапазоне сравнительно низких частот - около семи килогерц. Каждый щелчок длится одну или две тысячные доли секунды. Дональд Гриффин, уже известный нам исследователь сонаров летучих мышей, заткнул ватой уши некоторых гуахаро и выпустил их в темный зал. И виртуозы ночных полетов, оглохнув, тут же и «ослепли»: беспомощно натыкались на все предметы в помещении. Не слыша эха, они не могли ориентироваться в темноте.
Дневные часы гуахаро проводят в пещерах. Там же устраивают и свои глиняные гнезда, прилепив их кое-как к карнизам стен. По ночам птицы покидают подземелья и летят туда, где много фруктовых деревьев и пальм с мягкими, похожими на сливы плодами. Тысячными стаями атакуют и плантации масличных пальм. Плоды глотают целиком, а косточки потом уже, вернувшись в пещеры, отрыгивают. Поэтому в подземельях, где гнездятся гуахаро, всегда много молодых фруктовых «саженцев», которые быстро, однако, гибнут: не могут расти без света.
Брюшко только что оперившихся птенцов гуахаро покрыто толстым слоем жира. Когда исполнится юным троглодитам примерно две недели, в пещеры приходят люди с факелами и длинными шестами. Они разоряют гнезда, убивают тысячи редкостных птиц и тут же, у входа в пещеры, вытапливают из них жир. Хотя у этого жира неплохие и пищевые качества, употребляют его главным образом как горючее в фонарях и лампах.
Горит он лучше керосина и дешевле его - так считают на родине птицы, которая злой иронией рока осуждена всю жизнь провести в темноте, чтобы умерев дать свет жилищу человека.
В Южной Азии, от Индии до Австралии, живет еще одна птица, которая находит во мраке дорогу к гнезду с помощью сонара. Она тоже гнездится в пещерах (иногда, правда, и на скалах под открытым небом). Это знаменитая салангана, хорошо известный всем местным гурманам стриж: из его гнезд варят суп.
Салангана вот как вьет гнездо: прицепится лапками к скале и смазывает клейкой слюной камень, рисуя на нем силуэт люльки. Водит головой вправо и влево - слюна тут же застывает, превращается в буроватую корочку. А салангана все смазывает ее сверху. Растут стенки у гнезда, и получается маленькая колыбелька на огромной скале.
Колыбелька эта, говорят, очень вкусная. Люди забираются на высокие утесы, карабкаются при свете факелов на стены пещер и собирают гнезда саланган. Варят потом их в кипятке (или курином бульоне!), и получается отличный суп, как уверяют знатоки.
Совсем недавно открыли, что саланганы представляют интерес не только для гастрономов, но и для биофизиков: эти птицы, летая в темноте, тоже высылают вперед акустических разведчиков, которые «трещат, как детская заводная игрушка».
2. Эхо пеленг
С физической точки зрения всякий звук - это колебательные движения, распространяющиеся волнообразно в упругой среде.
Чем больше вибраций совершает в секунду колеблющееся тело (или упругая среда), тем выше частота звука. Самый низкий человеческий голос (бас) обладает частотой колебаний около восьмидесяти раз в секунду, или, как говорят физики, частота его колебаний достигает восьмидесяти герц. Самый высокий голос (например, сопрано перуанской певицы Имы Сумак) около 1400 герц.
Ультразвук, влияние на организм человека
Защита от ультразвука включает в себя использование изолирующих корпусов и экранов, изоляцию излучающих установок, оборудование дистанционного управления, применение средств индивидуальной защиты.
Ультразвук - это область акустических колебаний в диапазоне от 18 кГц до 100МГц и выше. Ультразву́к - упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц. Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.
Источником ультразвука является оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологических процессов, технического контроля и измерений промышленного, медицинского, бытового назначения, а также оборудования, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор. По спектральным характеристикам ультразвуковых колебаний выделяют:
⇒ низкочастотный ультразвук - 16-63 кГц (указаны среднегеометрические частоты октавных полос), распространяющиеся воздушным и контактным путем,
⇒ среднечастотный ультразвук - 125-250 кГц;
⇒ высокочастотный ультразвук - 1.0-31,5 МГц, распространяющиеся только контактным путем.
По способу распространения ультразвуковых колебаний выделяют:
⇒ контактный способ - ультразвук распространяется при соприкосновении рук или других частей тела человека с источником ультразвука;
⇒ воздушный способ - ультразвук распространяется по воздуху.
Летучие мыши – одни из животных, которые используют эхолокацию для ориентации в пространстве. Они извлекают ультразвуковые волны с частотой от 40 до 100 кГц. В момент испускания этих волн мышцы в ушах летучих мышей закрывают ушные раковины для того, чтобы предотвратить повреждения слухового аппарата. Волны, извлеченные мышью, отражаются от препятствий, от насекомых и от других объектов. Мышь улавливает отраженные волны и оценивает, в каком направлении от неё находится препятствие или добыча.
Дельфины тоже используют эхолокацию. Они способны излучать и воспринимать ультразвуковые волны с частотой до 300 кГц. Благодаря этому, они могут исследовать пространство, обнаруживать препятствия, искать пищу, общаться друг с другом и даже выражать своё эмоциональное состояние.
Характеристика звука. Ультразвук. Применение ультразвука. Ультразвук в природе. Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ). Применение ультразвука в косметологии. Резка металла с помощью ультразвука. Приготовление смесей с помощью ультразвука. Применение ультразвука в биологии. Применение ультразвука для очистки.
|
ВВЕДЕНИЕ |
||
|
Историческая справка |
||
|
Характеристика звука |
||
|
Ультразвук |
||
|
Применение ультразвука |
||
|
Ультразвук в природе |
||
|
Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ) |
||
|
Применение ультразвука в косметологии |
||
|
Резка металла с помощью ультразвука |
||
|
Приготовление смесей с помощью ультразвука |
||
|
Применение ультразвука в биологии |
||
|
Применение ультразвука для очистки |
||
|
Применение ультразвука в дефектоскопии |
||
|
4.10 |
Ультразвуковая сварка |
|
|
Список литературы |
||
|
ПРИЛОЖЕНИЯ |
||
|
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Влияние звука на песок |
||
|
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Вид волны в зависимости от громкости |
Введение
Звук физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств животных и человека.
Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 1620 Гц до 1520 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, ультразвуком, от 1 ГГц гиперзвуком. Громкость звука сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота звука не только от частоты, но и от величины звукового давления.Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот.Процесс распространения звука так же представляет собой волну.Впервые это предположение сделал знаменитый английский ученый Иссак Ньютон.
1 Историческая справка
Первые наблюдения по акустике были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издавающей звук. В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, чт о звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий. В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости звуковых волн от различных источников.
В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется).В 1700 - 1707 гг. Вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное конструкторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой - 40 колебаниям, то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом происходит усиление звука. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.
За тем, Ньютон, основываясь этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы. "И в этом состоят главнейшие звуковые явления".После экспериментальных исследований Савёра к математическому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова.Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести.
Фактическое объяснение эха, явления довольно капризного, также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма субъективны и зависят от интенсивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые "акустические фигуры",носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком. Эти экспериментальные исследования поставили новую задачу математической физики - задачу о колебаниях мембраны.
В XVIII веке было исследовано много других акустических явлений (скорость распространения звука в твердых телах и в газах, резонанс, комбинационные тона и др.). Все они объяснялись движением частей колеблющегося тела и частиц среды, в которой распространяется звук. Иными словами, все акустические явления объяснялись как механические процессы.
В 1787 году Хладни, основоположник экспериментальной акустики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни "Акустика", где он дал систематическое изложение акустики.
После Хладни французский учёный Жан Батист Био в 1809 году измерял скорость звука в твёрдых телах.
В 1800 году английский учёный Томас Юнг открыл явление интерференции звука и установил принцип суперпозиции волн.
В 1816 году французский физик Пьер Симон Лаплас вывел формулу для скорости звука в газах. В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения на высоту тона (эффект Доплера).
Эффе́кт До́плера изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Эффект назван в честь австрийского физика К. Доплера.
А в 1845 году Бейс-Баллот экспериментально обнаружил эффект Доплера для акустических волн.
В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического. В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри сделали открытие, которое оказалось очень важным для акустики. Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это свойство - пьезоэлектрический эффект для обнаружения не слышимого человеком ультразвука. И наоборот, если к граням кристалла приложить переменное электрическое напряжение то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь.
2 Характеристика звука
2.1 Громкость
Громкость это уровень мощности, которая пропорциональна амплитуде звукового сигнала. Громкость звука измеряется в децибеллах и обозначается дБ. Единица измерения, названная в честь Александра Грэма Белла. Уровни звукового давления, характерные для различных источников:
Пистолетный выстрел на расстоянии нескольких шагов - 140 дБ.
Болевой порог - 130 дБ.
Реактивный двигатель (в салоне самолета) - 80 дБ.
Негромкий разговор - 70 дБ.
Шорох в тихой комнате - 40 дБ.
Шумы в студии звукозаписи - 30 дБ.
Порог слышимости - 0 дБ.
2.2 Частота
Частота (высота) количество полных колебаний за единицу времени (единица измерения Герц). Чем выше частота, тем выше звучание.
2.3 Тембр
Тембр это звук, в котором присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд. Основной тон определяет высоту звука, обертоны, накладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специфическую окраску тембр.
Можно сказать, что тембр определяется величиной амплитуд отдельных гармоник (т.е. зависит от числа высших гармоник и отношения их амплитуд к амплитуде основной гармоники и не зависит от фаз высших гармоник). Продолжительность (длительность) время, за которое звук из ясно слышимого переходит в абсолютную тишину.
3 Ультразвук
Ультразву́к звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемым человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц.
Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.
Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков КГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).
В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения (киты, дельфины, летучие мыши, грызуны, долгопяты).
Излучателей ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.
4 Применение ультразвука
4.1 Ультразвук в природе
Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом (кожановые Vespertilionidae) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием (подковоносые Rhinolophidae) сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноаурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.
У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.
Эхолокацию используют для навигации и птицы жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.
Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.
4.2 Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)
Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.
Терапевтическое применение ультразвука в медицине
Помимо широкого использования в диагностических целях, ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения.
Ультразвук обладает следующими эффектами:
противовоспалительным, рассасывающим действиями;
анальгезирующим, спазмолитическим действиями;
кавитационным усилением проницаемости кожи.
Фонофорез комбинированный метод лечения, при котором на ткани вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии (применяемого, например, при УЗИ) наносится лечебное вещество (как медикаменты, так и вещества природного происхождения). Предполагается, что ультразвук помогает лечебному веществу глубже проникать в ткани.
4.3 Применение ультразвука в косметологии
Многофункциональные косметологические аппараты, генерирующие ультразвуковые колебания с частотой 1МГц, применяются для регенерации клеток кожи и стимуляции в них метаболизма. С помощью ультразвука производится микромассаж клеток, улучшается микроциркуляция крови и лимфодренаж. В результате повышается тонус кожи, подкожных тканей и мышц. Ультразвуковой массаж способствует выделению биологических активных веществ, ликвидирует спазм в мышцах, в результате чего разглаживаются морщины, подтягиваются ткани лица и тела. С помощью ультразвука осуществляется наиболее глубокое введение косметических средств и препаратов, а также выводятся токсины и очищаются клетки.
4.4 Резка металла с помощью ультразвука
На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.
Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.
4.5 Приготовление смесей с помощью ультразвука
Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в современной промышленности, это: лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.
4.6 Применение ультразвука в биологии
Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.
4.7 Применение ультразвука для очистки
Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоту и повышенную мощность.
В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны заполоненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).
В быту, для стирки текстильных изделий, используют специальные, излучающие ультразвук устройства, помещаемые в отдельную ёмкость.
4.8 Применение ультразвука в эхолокации
В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.
В автомобилях применяются ультразвуковые парктроники.
Применение ультразвука в расходометрии
Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 1960-х годов в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры.
4.9 Применение ультразвука в дефектоскопии
Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.
4.10 Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднён, при соединении разнородных металлов, металлов с прочными окисными плёнками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.), при производстве интегральных микросхем.
Список литературы
Интернет:
1)http://ru.m.wikipedia.org/wiki/%C7%E2%F3%EA
2)http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/466/ЗВУК
4)http://www.audacity.ru/p8aa1.html
Приложение 1
Влияние звука на песок
Приложение 2
Вид волны в зависимости от громкости
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать |
|||
| 32930. | Основная специфика философского знания | 12.54 KB | |
| Основная специфика философского знания заключается в его двойственности так как оно: имеет очень много общего с научным знанием предметметоды логикопонятийный аппарат; однако не является научным знанием в чистом виде. Предмет философии шире предмета исследования любой отдельной науки философия обобщает интегрирует иные науки но не поглощает их не включает в себя все научное знание не стоит над ним.; носит предельно общий теоретический характер; содержит базовые основополагающие идеи и понятия которые лежат в основе иных... | |||
