Ультразвук, его свойства и применение. Ультразвук в природе

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.

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

Получение данных о конкретном веществе.
Обработка и передача сигналов.
Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

Молекулярные процессы в различных структурах.
Определение концентрации веществ в растворах.
Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

Металлизация.
Ультразвуковая очистка.
Дегазация жидкостей.
Диспергирование.
Получение аэрозолей.
Ультразвуковая стерилизация.
Уничтожения микроорганизмов.
Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

Коагуляция.
Горение в ультразвуковой среде.
Сушка.
Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвукможет действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвукшироко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

Человечеству известно множество способов влияния на организм в терапевтических и профилактических целях. Это и медикаменты, и методы оперативного вмешательства, и способы физиотерапевтического воздействия, и средства альтернативной медицины. Нельзя сказать, что какой-то из этих вариантов является более предпочтительным, так как они чаще всего применяются в сочетании между собой, и подбираются в индивидуальном порядке. К одним из удивительных методов воздействия на человеческий организм относится ультразвук, обсудим применение ультразвука в медицине и технике (кратко) чуть более подробно.

Ультразвук представляет собой особенные звуковые волны. Оны не слышны человеческим ухом, и обладают частотой более 20 000 герц. Человечество уже много лет владеет информацией об ультразвуковых волнах, но в повседневной жизни его используют не так давно.

Использование ультразвука в медицине (кратко)

Ультразвук широко применяется в различных областях медицины – в терапевтических и диагностических целях. Все знакомое его использование в технике - аппарат для УЗИ (ультразвукового исследования).

Использование в медицине для диагностики

Такие звуковые волны используют для исследования различных внутренних органов. Ведь ультразвук хорошо распространяется в мягких тканях нашего тела, и характеризуется относительной безвредностью по сравнению с рентгеновскими лучами. Кроме того его куда проще использовать, чем более информативную магнитно-резонансную терапию.

Применение ультразвука при диагностике позволяет визуализировать состояние различных внутренних органов, его часто применяют в обследовании органов брюшной полости либо таза.

Такое исследование позволяет определить размеры органов и состояние тканей в них. Врач УЗИст может обнаружить опухолевые формирования, кисты, воспалительные процессы и пр.

Применение в медицине в травматологии

УЗИ широко применяется в травматологии, такой прибор как ультразвуковой остеометр позволяет определить не только наличие переломов либо трещин в костях, он еще и используется для обнаружения минимальных изменений костной структуры при подозрении на остеопороз либо при его диагностике.

Эхография (еще одно популярное исследование с использованием ультразвука) позволяет определить наличие внутренних кровотечений при произошедших закрытых травмах груди либо живота. При обнаружении жидкости в брюшной полости эхография дает возможность выяснить локализацию и количество экссудата. Кроме того ее проводят и при диагностике закупорки крупных кровеносных сосудов – для определения величины и местонахождения эмболов, а также тромбов.

Акушерство

Ультразвуковое исследование является одним из наиболее информативных методов отслеживания развития плода и диагностики у него различных нарушений. С его помощью медики с точностью определяют, где находится плацента. Также ультразвуковое исследование во время беременности дает возможность оценить развитие плода, провести его замеры, узнав размеры площади живота, грудной клетки, диаметра и окружности головки и пр.

Довольно часто данный вариант диагностики позволяет заблаговременно обнаружить аномальные состояния у плода и исследовать его перемещения.

Кардиология

Методы ультразвуковой диагностики широко используются для обследования сердца и сосудов. К примеру, так называемый М-режим применяют для обнаружения и распознавания сердечных аномалий. В кардиологии существует необходимость проводить регистрацию движения сердечных клапанов исключительно с частотами около 50 герц, соответственно, такое исследование может проводиться лишь при помощи ультразвука.

Терапевтическое применение ультразвука

Ультразвук широко используют в медицине для достижения терапевтического эффекта. Он оказывает отличное противовоспалительное и рассасывающее воздействие, обладает анальгезирующими и спазмолитическими качествами. Есть данные, что ультразвук также характеризуется антисептическими, сосудорасширяющими, рассасывающими и десенсебилизирующими (противоаллергическими) свойствами. Кроме того ультразвук могут применять для усиления проницаемости кожи при параллельном использовании дополнительных лекарственных средств. Подобный метод терапии носит название фонофореза. При его проведении на ткани пациента наносят не обыкновенный гель для ультразвуковой эмиссии, а лечебные вещества (медикаменты или природные компоненты). Благодаря ультразвуку целебные частицы проникают глубоко в ткани.

В терапевтических целях используется ультразвук с другой частотой, нежели при диагностике, - от 800 000 до 3 000 000 колебаний за одну секунду.

Применение в технике ультразвука кратко

В медицинских целях используют самые разные ультразвуковые приборы. Некоторые из них предназначены лишь для применения в медучреждениях, другие же вполне можно использовать и в домашних условиях. Как раз к последним относятся небольшие ультразвуковые препараты, которые излучают ультразвук в пределах 500-3000кГц. Они позволяют проводить сеансы домашней физиотерапии, оказывают противовоспалительное и обезболивающее воздействие, улучшают кровообращение, стимулируют рассасывание, заживление раневых поверхностей, устранение отечности и рубцовых тканей, а также помогают уничтожить вирусные частицы и пр.

Тем не менее, такую ультразвуковую технику стоит применять лишь после консультации с врачом, так как она имеет ряд противопоказаний к использованию.

Вот таково использование ультразвука в технике и медицине.

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

Ультразвук - упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных областях физики, технологии, химии и медицины.

Источники Ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты 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.

Излучатели 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 твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.Примеры излучателей:свисток Гальтона,жидкостный и ультразвуковой свисток,сирена.

Распространение ультразвука.

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной

скоростью.

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1-0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие её ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Возможно, будет полезно почитать: