Ультразвук и инфразвук.

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием, как акустика. Чаще всего под этим подразумевают некую абстрактную а-ку какого-либо помещения. К примеру, в материалах, так или иначе посвященных вокалу, музыке или рассказывающих о них, можно услышать о хорошей акустике театрального зала, если голоса выступающих доходят неизменными и неискаженными до любой точки зала. А добиться этого очень непросто. Этим занимается архитектурная акустика, данные из которой используют при проектировании театральных и лекционных классов, зданий аэропортов и вокзалов. Строительная акустика, напротив, ставит задачей изучение распространение волн в городских кварталах, цехах, ищет способы защиты людей от шума.

Но вернёмся к определению акустики. Акустика – раздел физики, изучающий звук и его взаимодействие с веществом. Определение это чрезвычайно ёмко и охватывает множество разнообразных областей исследования и практического применения. Некоторые из них показаны на рис.1.1 Из этого становится понятно, что имеются и явления, называемые акустическими. Связаны они, как ни странно, с возникновением и распространением звуковых волн.

Мы уже неоднократно встречались с различными источниками звука. Опыты показывают, что источником звука является тело, которое в процессе своих колебаний создаёт механические волны. При достижении уха человека, они приводят в вынужденные колебания барабанную перепонку. Вот тогда и мы ощущаем звук.

Разберёмся также с некоторыми характеристиками звука. Первое – это конечно же скорость. Нам уже известно, что скорость распространения механических колебаний различна в различных средах. Различна она и для агрегатных состояний вещества, плотности и упругости среды. В прошлой статье прилагалось фото молекулярного строения тел в различных агрегатных состояниях:

Под буквой а находится газообразное тело. Молекулы его движутся хаотически, расстояния между ними многим больше размеров самих молекул, имеет наименьшую плотность среди других.
В жидких телах, обозначенных буквой б, молекулы располагаются на расстоянии, сопоставимом с размером одной молекулы. Имеют большую плотность.
Ну и под буквой в – тела в твердом состоянии. Молекулы образуют кристаллическую решётку, скреплены очень «крепко», расстояния между молекулами многим меньше их размеров. Имеет наибольшую плотность.
Ясно, что колебания быстрее распространяться будут именно в твердых телах.
В таблице приведены некоторые скорости звука:

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости. Ясно, что сила воздействия звуковой волны на барабанную перепонку человеческого уха зависит от звукового давления –дополнительного давления, возникающего в газе или жидкости при прохождении звуковой волны.
Но громкость звука является субъективной характеристикой, т.е для каждого она индивидуальна. За единицу громкости с учётом восприятия звука человеком, принята единица бел(Б) или децибел(дБ). На рис 1.2 показаны громкости

Важно знать, что объективной оценкой громкости является интенсивность ( или сила) звука.

Интенсивность показывает, какую энергию переносит звуковая волна за единицу времени через единицу площади поперечного сечения тела, перпендикулярно направлению распространению волн. Интенсивность прямо пропорционально квадрату амплитуды звуковых колебаний или J-А^2.

Поэтому громкость также связывают с амплитудой колебаний и расстоянием к источнику звука.

Ещё одним качеством звука является высота тона. Например, звук летящего комара имеет высокий тон, а звук от полета шмеля – низкий. Тон — звук, соответствующий строго определённой частоте колебаний. Качество звука, определяющееся частотой колебаний, характеризуют высотой тона. Большей частоте колебаний соответствует более высокий тон.
Более высокому тону соответствует более короткая длина волны. Характеризуя длину волны следует помнить, что длина ещё зависит и от среды. Поэтому в различных средах одному и тому же тону соответствуют неодинаковые длины волн. Большая длина волны будет соответствовать среде с большей скоростью распространения звуковых волн. Имеем очень важную формулу:
λ = v/ν

И тут не лишним будет ответить на вопрос об известном акустическом трюке с гелием. Из нашей формулы легко увидеть, что длина волны обратно пропорциональна частоте колебаний. Гелий – это легкий, летучий газ, плотность которого значительно меньше плотности воздуха. При попадании в ротовую полость человека создает особую атмосферу для посыла связками механических колебаний. Из-за меньшей плотности газа волны распространяются гораздо быстрее, увеличивая скорость и частоту звука, в результате чего, человек вместо привычного голоса издает звуки высокой тональности.

Таким образом, звук обуславливается механическими колебаниями в упругих средах, частоты которых лежат в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц.
Механические волны с частотой более 20 кГц не воспринимаются человеком как звук. Их называют ультразвуковыми или просто ультразвуком. Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее – твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твёрдых телах и жидкостях.
Мы уже говорили о том, что энергия, переносимая волнами, прямо пропорциональна плотности среды и квадрату частоты. Это значит, что ультразвук может переносить значительно большую, чем звуковые волны. Это свойство дало человеку возможность разогревать плазму в экспериментальных термоядерных реакторах до миллионов градусов.
Своеобразный ультразвуковой локатор используют для обнаружения внутренних дефектов, пустот, трещин в металлических конструкциях, являющихся опасными концентраторами напряжений.
В авиации существует два метода определения высоты полёта – барометрический и радиоволновый. Барометрический основан на законе изменения давления с высотой. В ЛА установлены приёмники статического давления. Зная давление в данной зоне полёта ЭВМ обрабатывает данные и с высокой точностью определяет высоту полёта ЛА. На картинке показан авиационный высотомер или «альтиметер». В данном случае, высотомер проградуирован в футах. 1 метр~3.2 фута

Радиоволновый, как ни трудно догадаться, основан на отправке кратковременных ультразвуковых сигналов к поверхности земли источником волн. По знакомой нам формуле вычисляется высота. Но у подобного способа имеется большой минус – в отличии от барометрического метода он чувствителен к рельефу местности, т.е если под ЛА постоянно сменяют себя возвышенности и низменности, высотомер не даст экипажу верные данные о высоте, что может привести к неверному занятию эшелона полета и трагедии. Поэтому данный метод применяют главным образом при заходе на посадку, где изменение координаты невелико в сравнении с крейсерским режимом полёта.
На рис. 1.3 изображена трубка Пито- прибор, предназначенный для определения воздушной скорости ЛА. Отверстия по бокам - приемники статического давления.

Не так давно ученые открыли открыли удивительное св-во ультразвука – управлять течением газов и жидкостей, делать течение вихревым, турбулентным, или, что всего актуальнее для авиации, ламинарным.

При прохождении ультразвука через толщу жидкости, частицы её приобретают большие ускорение (увеличивается внутренняя энергия), тем самым они воздействуют на помещённые в жидкость тела. Это используют для приготовления растворов, отмывки деталей, антикоррозийной обработки, дубления кож и.т.д).

В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все область его использования.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волнами или инфразвуком. Они также не вызывают у человека звуковых ощущений.

Инфразвуковые волны возникают в море во время ураганов или землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде многим больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн – цунами. Это позволяет некоторым животным принимать инфразвуковые волны и получать сигналы о приближающейся опасности.
Инфразвук оказывает раздражающее действие на психику человека и животных, вызывает ощущения вибрации грудной и брюшной стенок, нарушение ритма дыхания, закладывание и давление в ушах, головную боль, головокружение, тошноту, затруднение при глотании, модуляцию речи, тремор рук, озноб, ощущение необъяснимого страха и беспокойства, сменяющееся чувством усталости, утомления, вялости и рассеянности Особенно неблагоприятен инфразвук частотой 2-15 Гц, вызывая в человеке резонансные явления(акустический резонанс). При этом возникают болезненные ощущения в груди, животе, пояснице и некоторых мышцах.

В 1929 году в театре “Лирик” в Лондоне ставили драму и хотели создать у зрителей особые эмоции. Известный физик Роберт Вуд предложил им акустический эффект. Низкочастотная волна звука, испускаемая органной трубой, вызвала чудовищный резонанс: дрожали стекла, звенели люстры, сотрясалось все здание. Публику охватил ужас, началась паника-спектакль был сорван.

Инфразвук используют для определения места сильных взрывов, предсказания цунами, исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды, создания инфразвукового оружия, лечения рака (удаления опухолей) и.т.д. Поэтому громкость также связывают с амплитудой колебаний и расстоянием к источнику звука.