- ультразвук
- Випромінювачі і приймачі ультразвуку
- Біологічні наслідки впливу хвиль ультразвуку
- інфразвук
- джерела інфразвуку
- Дія хвиль інфразвуку
- Приклади завдань з рішенням
Звук - це фізичний процес поширення пружних хвиль в середовищі, з одного боку, а з іншого - це психофізіологічний процес, пов'язаний з першим процесом.
У фізиці звуком називають будь-які пружні хвилі, при цьому хвилі, частота яких менше 16 Гц називаються інфразвуковими, а хвилі з частотами більшими 20 кГц називаються ультразвуковими. Ультразвукові хвилі з частотами вище $ {10} ^ 9Гц $ називають гіперзвуковими.
ультразвук
Ультразвукова хвиля складається з чергувань згустків і ділянок розрядження часток середовища. Ультразвукова хвиля поширюється зі швидкістю, яка залежить від властивостей речовини і його температури. Швидкість звукової хвилі в повітрі при температурі 200 ° С дорівнює приблизно 343,1 $ \ frac {м} {з} $.
Так як довжина хвилі ($ \ lambda $) залежить від частоти, з ростом частоти довжина хвилі зменшується, отже, довжина ультразвукової хвилі багато менше, ніж довжина хвилі звуку, який чує людина.
Випромінювачі і приймачі ультразвуку
Ультразвуком називаються механічні хвилі, частота яких більше 2 $ \ cdot {10} ^ 4 $ Гц. Верхня межа частоти ультразвуку визначають відстані між молекулами, отже, залежить від агрегатного стану середовища, в якій він поширюється. Ультразвук може виникати як в результаті природних процесів, так і генеруватися штучно.
До природних джерел ультразвуку можна віднести тварин, які його видають. Тварини генерують і сприймають ультразвук за допомогою спеціальних рецепторних апаратів. Ультразвук допомагає їм орієнтуватися в просторі. Ультразвукові коливання, що створюються тваринами, відбиваються від предметів і сприймаються спеціалізованими органами слуху як перешкоди на шляху. Видавати ультразвуки можуть так само, наприклад, коники, цвіркуни, дельфіни. Слуховий апарат деяких комах, птахів і тварин здатний сприймати більш широкий діапазон коливань звуку, ніж у людини.
Так верхня межа звукових частот сприймаються:
- жабами становить $ \ nu = 3 \ cdot {10} ^ 4Гц $;
- собаками $ \ \ nu = 6 \ cdot {10} ^ 4Гц $;
- кішками $ \ nu = {10} ^ 5Гц $;
- кониками $ \ nu = {10} ^ 5Гц $;
- кажанами $ \ nu = 1,5 \ cdot {10} ^ 5Гц $;
- метеликами $ \ nu = 1,6 \ cdot {10} ^ 5Гц $;
- дельфінами $ \ nu = 2 \ cdot {10} ^ 5Гц $;
- чайками $ \ nu = 8 \ cdot {10} ^ 3Гц. $
Генерувати ультразвук може і нежива природа. Він виникає при вітрі, ультразвукові частоти є в шумі водоспаду і звуках моря.
Технічні пристрої при своїй роботі здатні видавати ультразвук, наприклад, деякі двигуни й верстати.
Ультразвук отримують цілеспрямовано за допомогою генераторів ультразвуку. Для того щоб реєструвати і аналізувати ультразвук використовують п'єзоелектричні або магнітострикційні датчики.
Біологічні наслідки впливу хвиль ультразвуку
Біологічні ефекти, які здатні викликати ультразвукові хвилі залежать від інтенсивності, частоти і тривалості впливу. Якщо ультразвукові хвилі мають низьку інтенсивність і ними опромінюють біологічний об'єкт, то виникає мікровібрація на рівні клітини. При цьому активізуються транспортні процеси, поліпшуються процеси обміну в тканинах, досягається позитивний ефект. При збільшенні інтенсивності ультразвукове тиск може вести до пошкодження молекул. При тривалому впливі ультразвуку, наприклад, на виробництві у людини виникає підвищена стомлюваність, сонливість, може наступити розлад нервової системи.
інфразвук
Інфразвуком називають пружні механічні хвилі, що мають частоти нижче частот чутного людиною звуку. Верхня межа інфразвукових хвиль 16-25 Гц, верхня межа не визначена.
Інфразвук мало поглинається в різних речовинах, тому ці хвилі здатні поширюватися на великі відстані.
джерела інфразвуку
Інфразвук мається на шумі атмосфери, дерев в лісі і води в море. У корі Землі можна детектувати інфразвукові частоти від різних джерел, наприклад, обвалів, вибухів, роботи транспорту.
Так званий «голос моря» - це хвилі інфразвуку, які з'являються над морською поверхнею, як результат утворення вихорів за гребенями хвиль при сильному вітрі. Так як інфразвук мало поглинається, то «голос моря» може поширюватися на великі відстані і досить великою швидкістю. Це властивість інфразвуку служить для передбачення шторму. Деякі живі організми здатні сприймати інфразвук. Так медузи мають «інфа вуха», які чують інфразвук, який має частоту 8-13 Гц. Якщо шторм знаходиться ще за сотні кілометрів від берега і наблизиться до нього майже через добу, то медузи його вже чують і йдуть в глибину вод.
Джерелом інфразвуку є: урагани, бурі і деякі види землетрусів. Деякі тварини використовують інфразвук при полюванні, так вважають, що тигр може видавати рев, який має частоту 18 Гц. Слони застосовують інфразвук для комунікацій.
Людина не чує інфразвук, але ці хвилі здатні викликати у нього занепокоєння, страх. Інфразвук може викликати у людини агресію.
Деякі музичні інструменти дозволяють генерувати інфразвуки. Деякі музичні твори, що складаються з переривчастих пульсацій, можуть викликати біопсихічних реакцію організму людини, яка може вплинути на функції органів людини.
Механізми, які працюють з частотами меншими 20 $ \ frac {про} {з}, $ генерують інфразвук. Якщо автомобіль переміщається зі швидкістю понад 100 $ \ frac {км} {ч} $, то він джерело інфразвуку, що з'являється за рахунок відриву потоку повітря з його поверхні.
Дія хвиль інфразвуку
Багато процесів, які відбуваються в організмі людини, знаходяться в діапазоні частот відповідному частоті інфразвуку, так:
- людське серце скорочується з частотою 1-2 Гц;
- дельта - ритм мозку становить 0,5-3,5 Гц;
- альфа ритм мозку - 8-13 Гц.
Якщо коливання інфразвуковий хвилі збігається з коливаннями органів людини, то внаслідок резонансу, можна отримати травму резонуючого органу. Від 8 до 15 Гц - це власна частота коливань людського тіла. Можна сказати, що будь-який рух кожного м'яза створює загасаючу мікро судому тіла з цією частотою. Якщо на тіло людини впливати інфразвуком і потрапити в резонанс, амплітуда мікро судом збільшиться в десятки разів.
При частоті інфразвуку 7-13 Гц (частота землетрусів і тайфунів, виверження вулканів) тварини намагаються покинути вогнище стихійного лиха.
Найнебезпечнішим вважають інфразвук з частотами 6-9 Гц. Частота інфразвуку 7 Гц відповідає коливанням мозку в стані спокою, при такому звуці психотропний ефект максимальний, будь-яка розумова навантаження неможлива, голова розривається. В середині XX століття експериментально встановили, що при частоті інфразвуку 6 Гц людина відчуває втому, потім занепокоєння, яке переходить в жах. При 7 Гц можливе настання паралічу серця і нервової системи.
Приклади завдань з рішенням
приклад 1
Завдання. Летюча миша видає ультразвук з частотою $ {\ nu} _0, $ рухаючись в напрямку нерухомого резонатора, який налаштований на частоту $ {\ nu} _r \ (рис.1) $. З якою швидкістю рухалася миша, якщо створені їй звукові хвилі викликали коливання резонатора? Температура повітря $ T, \ $ молярна маса $ \ mu $, коефіцієнт Пуассона - $ \ gamma $.
Рішення. Відповідно до ефекту Доплера частота звуку, який буде сприймати резонатор, дорівнює:
\ [\ Nu = \ frac {v '+ u} {v'-v} {\ nu} _0 \ left (1.1 \ right), \]
де $ {\ nu} _0 $ - частота звуку, який видає миша; $ V '$ - швидкість звуку в речовині (в повітрі). Так як резонатор нерухомий, то вираз (1.1) перетворимо до виду:
\ [\ Nu = \ frac {v '} {v'-v} {\ nu} _0 \ left (1.2 \ right), \]
З формули (1.2) отримаємо швидкість польоту миші:
\ [V = v '\ left (1 \ frac {{\ nu} _0} {\ nu} \ right) \ left (1.3 \ right). \]
Швидкість звуку знайдемо, як:
\ [V '= \ sqrt {\ frac {\ gamma RT} {\ mu}} \ left (1.4 \ right). \]
Для того щоб хвилі, які приходять до резонатора викликали його коливання їх частота повинна збігатися з власною частотою резонатора:
\ [\ Nu = {\ nu} _r \ left (1.5 \ right). \]
З огляду на (1.4) і (1.5) вираз (1.3) перетворимо до виду:
\ [V = \ sqrt {\ frac {\ gamma RT} {\ mu}} \ left (1 \ frac {{\ nu} _0} {{\ nu} _r} \ right) \ (\ frac {м} {з}). \]
Відповідь. $ V = \ sqrt {\ frac {\ gamma RT} {\ mu}} \ left (1 \ frac {{\ nu} _0} {{\ nu} _r} \ right) \ \ frac {м} {з } $
приклад 2
Завдання. Чому для комунікації дельфіни застосовують ультразвуки з частотою порядку 10-400 Гц, а для звукової локації використовують частоти 750 - $ 3 \ cdot {10} ^ 5Гц $?
Рішення. Для того щоб отримати більшу точність розташування оточуючих об'єктів слід застосовувати хвилі, що мають великі частоти (невеликі довжини), так як якщо розміри предметів більше довжини хвилі, то виходить дзеркальне відображення хвилі. З метою здійснення комунікації доцільніше використовувати довгі хвилі (низькі частоти), які слабо загасають при подоланні істотних відстаней.
Читати далі: формула Максвелла .
З якою швидкістю рухалася миша, якщо створені їй звукові хвилі викликали коливання резонатора?Чому для комунікації дельфіни застосовують ультразвуки з частотою порядку 10-400 Гц, а для звукової локації використовують частоти 750 - $ 3 \ cdot {10} ^ 5Гц $?
