Инфразвук и ультразвук

Инфразвуки и ультразвуки находятся за пределами диапазона частот, вызывающих звуковые ощущения.

Инфразвуки, или упругие волны с частотами 16 Гц и ниже, возникают при самых различных условиях - при обдувании ветром различных предметов, вибрировании с достаточной амплитудой станков, корпуса движущегося автомобиля, работающего двигателя самолёта и т.д. Инфразвуки не воспринимаются органами слуха человека, но на них реагирует организм в целом, поэтому понятна необходимость детального изучения таких колебаний. Исследования инфразвука начались относительно недавно и в настоящее время стройной теории для указанного диапазона упругих волн не существует. Задача изучения инфразвука осложняется особенностями их воздействия на приборы и живые организмы. Так, внутренние органы человека имеют собственные частоты колебаний (резонансные частоты) в пределах от б до 8 Гц, поэтому воздействие инфразвуковьгх колебаний доста­точной амплитуды может вызвать неприятные и даже болевые ощущения. Поэтому одна из задач исследования инфразвука связана с определением степени влияния низкочастотных колебаний на нервную, сердечно-сосудистую системы человека, на его работоспособность.

Резонансные частоты многих конструкций и сооружений лежат в области инфразвука, поэтому инфразвуковые колебания большой интенсивности могут привести даже к разрушению той или иной конструкции. Поскольку низкочастотные колебания могут распространяться в атмосфере на расстояния до десятков тысяч километров, становится понятной необходимость разработки акустических поглотителей для этого диапазона.

В настоящее время для регистрации инфразвуковьгх волн применяются достаточно совершенные приемники, устанавливаемые в различных точках земного шара. Приемники получают сигналы от различных источников инфразвуковых волн, например, от очагов землетрясения, областей зарождения шторма, цунами. Они позволяют получать сигналы о наступлении шторма за десятки часов до его начала на расстоянии нескольких тысяч километров от места зарождения шторма.

Наряду с поисками способов защиты от нежелательного воздействия инфразвуков ведутся разработки его технического применения. Уже нашли промышленное применение приборы контроля за некоторыми технологическими процессами и установки, упрощающие эти процессы.

Более детально изучены упругие волны по другую сторону от звукового диапазона, с частотами свыше 20 кГц, так называемые ультразвуки. Практическое применение ультразвука связано прежде всего с тем, что ультразвук по сравнению со звуком имеет более высокую частоту и, соответственно, малую длину волны. Этим объясняется, например, более эффективное воздействие ультразвука на различные материалы и среды, целесообразность применения ультразвука в приборах неразрушающего контроля, в эхолокации и т.д.

Ультразвук широко применяется в технике для обработки сверх твёрдых материалов, там, где другие способы обработки являются малоэффективными. Например, обработка такого сверхтвёрдого материала, как алмаз, легко производится на ультразвуковых станках, которые позволяют производить высокоточную обработку сверхтвёрдых и хрупких материалов.

С помощью ультразвука производится эффективная очистка поверхностей, деталей, узлов механизмов от различных загрязнений, следов коррозии и т.д. Так, с помощью ультразвуковых установок производится очистка деталей от масла, следов окалины, очистка днища корабля, более того, защитная ультразвуковая установка предотвращает обрастание днища морского судна различными морскими живыми и растительными организмами, тем самым сохраняя эксплуатационные качества корабля. С помощью ультразвука производят очистку воздуха от загрязнений, осаждая частицы примесей, используют ультразвук для борьбы с туманами и т.д.

Широкое применение находит ультразвук и при ускорении ряда технологических процессов, там, где применение других методов затруднительно. Например, при сварке или пайке тонких фольг или проволок именно ультразвук позволяет получать качественные со­единения.

Хорошее прохождение ультразвуковых волн в различных средах и малая их длина позволяют эффективно применять их в дефектоскопах, гидролокации.

Техника испытывает потребность в неразрушающих методах контроля, среди которых особое место занимает ультразвуковая дефектоскопия. Достоинствами ее является точность и скорость контроля. Ультразвуковые методы не имеют себе равных при обнаружении незначительных дефектов. Например, ультразвуковые дефектоскопы позволяет обнаруживать в деталях и заготовках трещины до миллионных долей миллиметров, почти полностью отражаясь от них.

Принцип работы ультразвуковых дефектоскопов основан на прохождении ультразвука через толщу исследуемого образца, или на отражении ультразвуковых импульсов от границ дефектов. Второй способ является более чувствительным, позволяет более точно определить границы дефектов, глубину их залегания. Методы ультразвуковой дефектоскопия нашли широкое применение не только в промышленности, но и в научных исследованиях, с их помощью можно контролировать структуру материалов и т.д.

Совершенствование методов приводит к появлению новых направлений в технике, таких, например, как интроскопия. Если ультразвук преобразовывать в видимое изображение не сразу, а сначала получать электрическое отображение информации, используя электронно-акустические эффекты, чувствительность прибора можно повысить во много раз. Ультразвуковые интроскопы позволяют наблюдать мельчайшие детали структур, тончайшие процессы, протекающие в исследуемых телах и даже в живых организмах.

Гидролокационные установки, работающие по принципу излучения и приёма отражённых от цели ультразвуковых волн, нашли широкое применение для обнаружения покоящихся и движущихся в воде предметов. На таком принципе основано действие, например, эхолота на кораблях, позволяющего с большой точностью определять расстояние до морского дна. Расстояние до объекта определяется, очевидно, половиной времени между посылкой ультразвукового сигнала и приёмом отраженного сигнала. Так как ультразвуковые сигналы посылаются в виде узкого пучка, можно с большой точностью определить и направление на объект.

Возможности гидролокации значительно расширяются с применением установок, работающих на основе эффекта Доплера. Такие установки позволяют определить не только расстояние до объекта и направление на него, но и скорость его движения по разности частот излучаемых и принимаемых колебаний.

Дальнейшее изучение ультразвука расширяет границы его применения, приводит к появлению самостоятельных научно-технических направлений, например, акустоэлектроники. Под этим термином понимают раздел физической электроники, в которой изучается влияние звука или ультразвука на электрические характеристики твёрдых тел и обратные явления.

Использование явления взаимодействия электронов с ультразвуковой волной позволяет получать большие усиления акустических сигналов, а, преобразуя радиосигнал в ультразвуковой и затем, после усиления, опять в радиосигнал, можно получить усиление, которое невозможно получить с помощью таких активных элементов, как электронные лампы или полупроводниковые приборы.

Ультразвук всё более широко начинает применяться в радиоэлектронике. Например, обнаруженные эффекты поверхностного распространения ультразвуковых волн, особенности их прохождения между пластинами пьезозлектриков привело к возможности создания самых разнообразных приборов для обработки информации: линий задержки, фильтров со сложными перестраиваемыми характеристиками и т.д. При разработке ЭВМ делаются попытки, заменив отдельные электронные узлы оптическими, что позволит существенно увеличить быстродействие машин. При этом ультразвуковые преобразователи являются промежуточными узлами между электронными и оптическими устройствами. В качестве ещё одного примера можно привести использование акустических преобразователей на панелях орбитальных станций "Салют", регистрирующих попадание на корпус станции микрочастиц.

Примечания.

1. Полное выполнение программы курса только на лекционных занятиях невозможно из-за недостатка времени. Поэтому отдельные вопросы и темы могут выноситься на другие виды занятий и на самостоятельную работу студентов.

2. Некоторые вопросы программы (например, отдельные вопросы «Введения») могут рассматриваться там, где это целесообразно ― при изложении соответствующих тем раздела «Механика», на других видах занятий и даже при изложении других разделов курса общей физики.

3. Изучение программы предполагает работу над конспектом лекций, материалами практических и лабораторных занятий, а также работу с рекомендованной литературой.

4. Список рекомендованной литературы является ориентировочным. Возможно (и даже желательно) изучение учебных пособий более поздних изданий по сравнению с указанными в списке рекомендованной литературы.