Пример 6 – Что такое ультразвук и чем он полезен

Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, то своим движением оно, то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются во все стороны от колеблющегося тела и образуют звуковую волну. Если колебания тела, создающего волну, следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 20 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.

Частоты 16 Гц – 20 кГц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми или акустическими, например писк комара»10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими вне этого диапазона – инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов, в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука, частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики только в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования УЗ, но основы его применения были заложены только в первой трети XX века.

Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике.

v Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков, по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет в оптически непрозрачных средах формировать звуковые изображения, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).

v Малый период колебаний позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

v Возможность получения высоких значений интенсивности колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

v В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения, поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические физические, химические, биологические и медицинские эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

Из истории науки. Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав – Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году швейцарский физик Ж.Д. Колладон (1802-1893) определил скорость звука в воде. Эксперимент Ж.Д. Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Ж. Д. Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Ж.Д. Колладон вычислил скорость звука – 1435 м/с. Разница с современными вычислениями только 3 м/с.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна. Источником звука, как и в опыте Ж.Д. Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными – звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году английский исследователь, географ, антрополог и психолог, основатель дифференциальной психологии и психометрии Ф. Гальтон (1822-1911). Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Ф. Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц. Кстати, это тот самый Ф. Гальтон, который в 1892 в монографии об отпечатках пальцев «Finger prints» подводит итог исследованиям в этой области и закладывает основные принципы дерматоглифики (неизменность пальцевых узоров в течение жизни, строгую индивидуальность и простую возможность классификации на три типа – дуги (арки), петли, завитки).

В 1880 году Пьер (1859-1906) и Жак (1855-1941) Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» (от гр. – нажать). Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием – подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен (1872-1946) совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии, К.В. Шиловским (1880-1952) впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона – приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена-Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я. Соколов (1897-1957) разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться с 50-х годов XX-го в. в США.

Получение ультразвука. Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы.

Ø Колебания возбуждаются или препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном используются для получения мощного УЗ в газовой среде.

Ø Колебания возбуждаются преобразованием в механические заданных колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Применение ультразвука. Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

1) получение информации посредством ультразвука,

2) воздействие на вещество,

3) обработка и передача сигналов.

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется для:

- контроля протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.

- определения прочностных характеристик и состава материалов,

- определения наличия примесей,

- определения скорости течения жидкости и газа.

Точность определения состава веществ и наличия примесей высока и составляет доли процента.

Большая группа методов основана на отражении и рассеянии УЗ волн на границах между средами. Эти методы позволяют проводить определять локацию инородных тел и используются в таких сферах как:

Ÿ гидролокация,

Ÿ неразрушающий контроль и дефектоскопия,

Ÿ медицинская диагностика,

Ÿ определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях,

Ÿ определения размеров изделий,

Ÿ визуализация звуковых полей – звуковидение и акустическая голография.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия различны для разных сред. В газах основным фактором являются акустические течения ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину. Это используется при:

s ультразвуковой сушке,

s горении в ультразвуковом поле,

s коагуляция аэрозолей.

В жидкостях основную роль играет кавитация ( природный феномен, связанный с появлением в жидкости кавитационных пузырьков (каверн или полостей), которые наполнены смесью из газов и пара, газом или паром). На кавитации основаны следующие технологические процессы:

- ультразвуковая очистка,

- металлизация и пайка,

- звукокапиллярный эффект – проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины. Применяется для пропитки пористых материалов и любой обработки твёрдых тел в жидкостях,

- диспергирование твёрдых тел в жидкостях,

- дегазация (деаэрирование) жидкостей,

- кристаллизация,

- интенсификация электрохимических процессов,

- получение аэрозолей,

- уничтожения микроорганизмов и стерилизация инструментов в медицине.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

- уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них,

- снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ.

- ударное воздействие инструмента с УЗ частотой на металлы вызывает их упрочнение и снижение остаточных напряжений.

- комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке.

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. При повышении пороговой интенсивности УЗ, соответствующей возникновению кавитации, происходит разрушение бактерий и вирусов и стерилизация лекарственных веществ.

 

Пример 7 – Инфразвук

Инфразвук (от лат. – ниже, под), упругие волны с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвука принимают частоты 16-25 Гц. Нижняя граница инфразвука не определена. Инфразвук содержится в шуме атмосферы и моря; его источник – турбулентность атмосферы и ветер, грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы; в земной коре – сотрясения и вибрации от самых разнообразных источников.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего он может распространяться на очень далёкие расстояния. Это позволяет определять места сильных взрывов или положение стреляющего орудия, предсказывать цунами, исследовать верхние слои атмосферы, свойства водной среды. Воздействие инфразвука на организм человека может сопровождаться нервно-вегетативными нарушениями (утомляемость, слабость, раздражительность) и психическими расстройствами. Так, например, у людей, находящихся недалеко от источников инфразвука, могут наблюдаться обморочные состояния, чувства беспокойства и неосознанного страха, ощущения колебаний внутренних органов, тошнота, повышение артериального давления и др.

Куда исчезают люди? В 1840 году в Карибском море моряки одного из судов увидели парусник, плывущий странными зигзагами. Создавалось впечатление, что корабль неуправляем, что и подтвердилось, когда они сблизились с парусником, носившим название «Розалия». На борту судна не нашлось ни одного человека, единственным живым существом была канарейка, сидевшая в клетке. Предположение о том, что корабль ограбили и бросили пираты, подтверждения не нашло – груз «Розалии» был цел. Правда, вещи команды и пассажиров находились в беспорядке, словно люди что-то искали или лихорадочно собирались, забирая с собой наиболее ценное. Тайна исчезновения людей с «Розалии» так и осталась нераскрытой.

А через десять лет после этого случая, летом 1850 года, жители побережья штата Род-Айленд с удивлением наблюдали, как к берегу на всех парусах неслось явно не управляемое никем судно. Когда оно село на мель, на его борт поднялись местные рыбаки. Они не обнаружили на судне, которое называлось «Сиберд», ни одного члена команды, кроме подвывающей от страха собаки, забившейся под койку в одной из кают. Самое интересное, что на плите стоял еще горячий кофейник, в салоне стояли расставленные для трапезы тарелки. Табачный дым еще не успел выветриться и висел в кубрике сизым туманом. На корабле все было в абсолютной сохранности – документы, груз, ценности.

Из документов стало ясно, что парусник под командованием капитана Джона Дарема направлялся с грузом кофе из Гондураса в Ньюпорт. В вахтенном журнале последняя запись гласила: «Вышли на траверз рифа Брентон». А этот риф был всего в нескольких милях от Ньюпорта! Мало того, рыбаки рассказали, что в этот же день рано утром они встретили парусник в море и его капитан поприветствовал их. Куда же исчез экипаж? Этого установить так и не удалось.

Можно ли объяснить появление судна без экипажа? Еще в 1935 году академик В.В. Шулейкин (1895-1979) открыл инфразвуковые колебания («голос моря»), возникающие в штормовом районе и в докладах АН СССР изложил свою теорию их возникновения в океане. Даже небольшой шторм может генерировать инфразвук, который при определенной частоте смертелен для человека и способен вызвать у него остановку сердца.

Проводились эксперименты, в ходе которых было доказано, что инфразвук сначала вызывает чувство беспричинного страха, с увеличением его частоты у людей начинали вибрировать внутренние органы, и они испытывали адскую боль. При частоте инфразвука в 7 Гц наступала смерть. Так как во время шторма в море образуется инфразвук с частотой 6 Гц, его губительное воздействие на людей вполне реально.

Что касается судов с исчезнувшей командой, причиной их появления также может быть инфразвук. Его воздействие на человека испытал еще известный американский физик-экспериментатор Роберт Вуд (1868-1955). Из-за его установки, которая генерировала инфразвук во время театральной постановки, среди зрителей началась жуткая паника и все они бросились вон из театра. Так и моряки под воздействием инфразвука могли в панике бросаться за борт, забывая прихватить свои пожитки и оставляя путешествовать по волнам полностью исправный корабль.

Проявления и появление инфразвука. Распространяясь со скоростью 1200 км/ч, инфразвуковая волна намного опережает движение породившего ее урагана, как бы предупреждая всех о надвигающейся буре. И такое предупреждение хорошо улавливают обитатели моря. Задолго до приближения шторма медузы и рыбы уплывают от берега, а чайки перед бурей начинают тревожно метаться. Слышат «голос моря» и многие жители прибрежных районов.

Здоровые люди не так восприимчивы к инфразвуку, но люди, страдающие некоторыми заболеваниями, например ревматизмом, ощущают «голос» далекой бури.

В любом организме существуют собственные колебательные движения низкой частоты, например в системе кровообращения. Если период инфразвука близок к периоду этих колебаний, то возникает резонанс. Амплитуда сердечных сокращений увеличивается настолько, что может произойти разрыв стенок артерий. Если инфразвук противоположен по фазе, то при его достаточной интенсивности кровообращение затормаживается и сердце даже может остановиться. Таковы выводы французских исследователей. При колебаниях средней мощности наблюдаются расстройства органов пищеварения и мозга с самыми различными последствиями (обмороками, общей слабостью и т.д.)

Известно, что инфразвук с уровнем до 150 дБ является пределом переносимости для человека при кратковременном воздействии, а уровень 110 дБ рекомендуется как предельно допустимый для 8-часового воздействия.

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной среде, а также в земной коре (в этом случае их называют сейсмическими и их изучает сейсмология). К инфразвуку относятся также низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, и в частности транспортных средств, зданий. Основная особенность инфразвука, обусловленная его низкой частотой, – малым поглощением. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько дБ. Из-за большой длины волны на инфразвуковых частотах мало и рассеяние звука в естественных средах. Заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты – холмы, горы, высокие здания и др. Вследствие малого поглощения и рассеяния инфразвук может распространяться на очень большие расстояния. Известно, что звуки извержений вулканов, атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара, сейсмические волны могут пересекать всю толщу Земли. По этим же причинам инфразвук почти невозможно изолировать, и все звукопоглощающие материалы теряют эффективность на инфразвуковых частотах.

В океане вклад в шумовое инфразвуковое поле вносят изгибные колебания и температурное растрескивание ледового покрова, в атмосфере – грозовые разряды, полярные сияния. Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолётов, удары копров, акустическое излучение реактивных двигателей и др. Инфразвук содержится в шуме двигателей и технологического оборудования (дизелей, компрессоров и др.), в шуме винтов кораблей, обтекания ветром крупных сооружений. Всякий очень громкий звук несёт с собой, как правило, и инфразвуковую энергию.

Характерно, что излучением инфразвука сопровождается процесс речеобразования. Вибрации зданий, создаваемые производств, и бытовыми возбудителями, как правило, содержат инфразвуковые компоненты. Мощный инфразвук может вызывать разрушение и повреждение конструкций, оборудования.

Вместе с тем инфразвук вследствие большой дальности распространения находит полезное практическое применение при исследовании океанической среды, верхних слоев атмосферы, для определения места извержения или взрыва, при решении разнообразных задач связи и обнаружения. Инфразвуковые волны, излучаемые при подводных извержениях, позволяют предсказать возникновение цунами.

Живые барометры. На Земле имеются существа, которые действительно предсказывают, в какую сторону переместится циклон с учетом всех аномалий, и прогнозируют это без всяких расчетов. Ученые называют сейчас около 600 видов животных и 400 видов растений, которые могут выступать как барометры, индикаторы влажности и температуры, предсказатели штормов, бурь или хорошей безоблачной погоды.

Медуза. На краю колокола у нее расположены примитивные глаза и органы равновесия, слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть «ухо» медузы. Однако слышит оно не просто звуковые колебания, доступные нашему уху, а инфразвуки с частотой 8-13 Гц.

Перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлестывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, а все вместе они дают инфразвук, его-то и улавливает своим куполом медуза. Колокол медузы усиливает инфразвук, как рупор, и передает на «слуховые колбочки». 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.

Барометрами в лесу, в поле, у моря или на берегу озера будут членистоногие: ракообразные, пауки, насекомые.

В наших пресных водоемах раки перед дождем выползают на берег. Сходную картину можно увидеть и в море. Если маленькие крабики, раки отшельники, бокоплавы ушли на берег – значит, быть шторму.