Ультразвук та інфразвук

Ультразвуком називають механічні коливання пружного середовища з частотою, що перевищує верхню границю чутливості 20кГц.

Ультразвук має єдину природу зі звуком та однакові фізико-гігієнічні характеристики, а відтак оцінюється за частотою коливань та інтенсивністю. Специфіка ультразвуку полягає в тому, що він поширюється спрямованими пучками, через велику частоту та малу довжину хвиль, створює великий ультразвуковий тиск.

Одиницею вимірювання інтенсивності ультразвуку є ватт на квадратний сантиметр (Вт/см2).

У гігієнічній практиці інтенсивність ультразвуку (рівень ультразвукового тиску) оцінюється у відносних одиницях – дБ.

Ультразвук підпорядковується тим же закономірностям, що й звукові хвилі, але через свою високу частоту він має деякі особливості:

мала довжина хвилі (менше 1,5 см) дає можливість отримувати скерований сфокусований пучок великої енергії;

ультразвукові хвилі здатні створювати чітку акустичну тінь, бо розміри екранів завжди будуть їм відповідати або більшими за довжину хвиль;

проходячи через межу розділу двох середовищ, ультразвукові хвилі можуть відбиватись, переломлюватись або поглинатись;

високочастотний ультразвук практично не розповсюджується у повітрі, бо звукова хвиля розповсюджуючись у середовищі, втрачає енергію пропорційну квадрату частоти коливань.

У твердих і рідких середовищах ультразвук викликає ряд механічних і хімічних ефектів. До них відносять явище кавітації, що виникає у змішаному середовищі – рідина-газ. У зоні розриву рідини внаслідок періодичного стиснення і розтягу утворюються бульбашки, наповненні парою рідини або газу. Розрив бульбашок супроводжується виділенням великої кількості енергії. Ефект посилюється зі збільшенням швидкості ультразвуку. Дія ультразвуку на тверду або газоподібну речовину викликає вібрацію її часток з ультразвуковою частотою.

Ультразвуковий діапазон частот поділяється на низькочастотні коливання (І,І2*1(г1- 1,0* 105 Гц), що поширюється повітряним і контактним шляхами, а також високочастотні (1,0-105 – 1,0* Гц), що передаються тільки контактним шляхом.

Характеристикою ультразвуку, що передається контактним шляхом є пікове значення віброшвидкості (м/с) в частотному діапазоні від 1,0*10* до 1,0’109Гц або його логарифмічні рівні (дБ), що визначаються за формулою:

де у — пікове значення віброшвидкості, м/с;

у0 — опорне значення віброшвидкості, що дорівнює 5* 10″6 м/с.

Які існують джерела виробничого ультразвуку та область їх використання?

Джерелами виробничого ультразвуку є генератори ультразвукових коливань, що використовуються для технологічних потреб, у медицині і наукових дослідженнях, а також виробниче обладнання, що має у спектрі шуму високочастотні складові.

Генератор ультразвуку складається з джерела струму високої частоти і п’єзоелектричного або магнітострикційного перетворювача. У виробничій практиці магнітострикційні перетворювачі використовуються для генерації низькочастотного ультразвуку, а п’єзоелектричні перетворювачі дозволяють отримувати ультразвук з частотою до 10* Гц.

Ультразвукове устаткування і прилади залежно від частотної характеристики поділяються на дві основні групи:

• 1) апарати, що генерують низькочастотний ультразвук, з частотою коливань 10-100кГц;
• 2) устаткування, в якому використовується високочастотний ультразвук з частотою коливань у межах 100 кГц — 1000 МГц.

Низькочастотний ультразвук широко використовується для очистки деталей від мастил, окалини та інших забруднень, котлів і теплообмінних апаратів від накипу і т ін.

Ультразвук широко використовується в системах очистки повітря від пилу, кіптяви, хімічних речовин. Він активізує хімічні процеси, використовується для хімічної обробки надтвердих та крихких матеріалів — алмазів, скла, кераміки, ювелірних виробів, деревини і т. ін.

Ультразвук чинить дію на біологічні об’єкти тому, його бактерицидна дія успішно використовується у медичній та харчовій промисловості.

Ультразвук як лікувальний засіб використовується у фізіотерапії. Він чинить болезаспокійливу, протизапальну і бактерицидну дію, стимулює дію нервової системи, покращує кровотворення, посилює захисні реакції організму, знижує артеріальний тиск і т ін.

Високочастотним ультразвуком здійснюють дефектоскопію якості металевих і бетонних конструкцій та інших виробів, визначають дефекти зварних швів труб, котлів, будівельних конструкцій і т. ін.

§ 18. Звукові хвилі. Інфразвук і ультразвук

Ми живемо в океані звуків. Що являють собою звуки? Як вони утворюються? Чому неможливо почути гуркіт ракетних двигунів у космосі? Чому грім чути пізніше за спалах блискавки? Для чого в студіях звукозапису стіни вкривають шаром звукопоглинальних матеріалів? Як у повній темряві кажани та дельфіни знаходять здобич? Спробуємо знайти відповіді на ці запитання.

1. Знайомимось із джерелами та приймачами звуку

Притисніть до краю стола один кінець лінійки і смикніть її за вільний кінець — він почне коливатись, а ви почуєте звук (рис. 18.1). Річ у тім, що коливання лінійки викликає згущення і розрідження повітря і як наслідок — періодичні збільшення та зменшення тиску в зоні коливань. Стиснуте повітря, намагаючись розширитися, тисне на сусідні шари, теж стискуючи їх. Так від лінійки в усі боки починає поширюватися поздовжня механічна хвиля, яка врешті-решт досягає вашого вуха. Тиск повітря біля вушної мембрани періодично змінюється, і мембрана починає коливатися. Кінець лінійки коливається з частотою понад 20 Гц, саме з такою частотою починає коливатися й вушна мембрана, а коливання з частотою від 20 до 20 000 Гц людина сприймає як звук.

Рис. 18.1. Після того як кінець лінійки буде відпущено, лінійка почне коливатися та випромінювати звук

Звук — це фізичне явище, що являє собою механічну хвилю частотою від 20 до 20 000 Гц.

Джерела звуку — це різноманітні тіла, що коливаються із частотою 20-20 000 Гц. Так, джерелами звуку є мембрани навушників і струни музичних інструментів, дифузори гучномовців і крила комах, частини машин тощо. У трубі, флейті, свистку звук утворюється коливанням стовпа повітря всередині інструментів. Голосові апарати людини й тварин також є джерелами звуку.

• Наведіть ще кілька прикладів джерел звуку.

Для вивчення звуку зручно використовувати камертон (рис. 18.2). Цей пристрій являє собою металеву «рогатку», закріплену на скриньці, в якій відсутня одна стінка. Якщо гумовим молоточком ударити по ніжках камертона, то камертон випромінюватиме ясний довгий звук, який поступово слабшає, але не змінює своєї частоти.

Рис. 18.2. Ніжки камертона коливаються й тому випромінюють звук

У приймачах звуку відбувається перетворення звукових сигналів на інші сигнали, завдяки чому звук можна сприймати та аналізувати. До приймачів звуку, зокрема, належать органи слуху людини та тварин, — в цих органах звукові (механічні) коливання перетворюються на нервові імпульси. У техніці для приймання звуку здебільшого застосовують перетворювачі, в яких звукові коливання зазвичай перетворюються на електричні (рис. 18.3).

Рис. 18.3. У мікрофоні звукові коливання перетворюються на електричні

2. Вимірюємо швидкість поширення звуку

Якщо ми здалека бачимо момент зародження звуку (удар дзвона, сплеск долонь тощо), то помічаємо, що власне звук ми чуємо через певний інтервал часу. Знаючи відстань до джерела звуку та час запізнення, можна виміряти швидкість поширення звуку в повітрі.

Уперше швидкість поширення звуку в повітрі виміряв французький учений Марін Мерсенн (1588-1648) у 1636 р.

За температури 20° С швидкість звуку в повітрі становить приблизно 340 м/с. Це майже в мільйон разів менше від швидкості поширення світла. Саме тому грім чутно пізніше, ніж видно спалах блискавки (рис. 18.4).

Рис. 18.4. Якщо гроза від нас далеко, то гуркіт грому можна почути навіть через 10-20 с після спалаху блискавки

Швидкість поширення звуку залежить від температури, густини, складу та інших характеристик середовища. Так, у рідинах звук поширюється швидше, ніж у газах, і повільніше, ніж у твердих тілах. Швидкість поширення звуку зазвичай збільшується зі збільшенням температури середовища. До того ж чим менша маса молекул середовища, тим швидше поширюється звук. Розв’язуючи задачі, використовуватимемо приблизні значення швидкості поширення звуку (див. таблицю на с. 120).

Перші точні вимірювання швидкості поширення звуку у воді здійснили вчені зі Швейцарії Жан Колладон і Шарль Штурм у 1826 р.

Один із дослідників сидів у човні на Женевському озері та вдаряв по зануреному у воду дзвону. Одночасно з ударом відбувався спалах пороху. Другий дослідник, перебуваючи на відстані 16 км, вимірював час між спалахом пороху та звуком від удару дзвона, який він чув через занурену у воду озера трубу.

Приблизні значення швидкості поширення звуку в деяких середовищах

• Проаналізуйте таблицю. Чому, на вашу думку, швидкість поширення звуку у водні більша, ніж у повітрі, а в сталі більша, ніж у воді?

Зверніть увагу! Оскільки звук — це механічна хвиля, а для поширення механічної хвилі необхідне середовище, звукова хвиля не поширюється у вакуумі (рис. 18.5).

Рис. 18.5. Якщо покласти мобільний телефон під купол повітряного насоса і відкачати повітря, то сигналу виклику ми не почуємо

3. Вивчаємо характеристики звуку

Звуки різної частоти ми сприймаємо як звуки різного тону: чим більшою є частота звуку, тим вищий тон звуку, і навпаки. Ми легко відрізняємо високий тон дзижчання комара від низького тону гудіння джмеля, звучання скрипки — від звучання контрабаса.

Гучність звуку визначається насамперед амплітудою звукової хвилі (найбільшою зміною тиску в області спостереження): чим більша амплітуда, тим гучніший звук. Проте гучність звуку також залежіть від його тону (частоти звукової хвилі). Людське вухо досить погано сприймає звуки низьких (близько 20 Гц) і високих (близько 20 000 Гц) частот, найкраще — середніх частот (1000-3000 Гц).

У ході поширення звуку відбувається поступове розсіювання та згасання звуку, тобто зменшення його гучності. Знання закономірностей розсіювання звуку є важливим для визначення дальності поширення звукового сигналу. Так, на дальність поширення звуку в повітрі впливають температура й атмосферний тиск, сила й швидкість вітру тощо. Інколи в глибинах океану утворюються умови для наддалекого (понад 5000 км) поширення звуку — в такому випадку кажуть про підводний звуковий канал.

Крім гучності та висоти тону ми розрізняємо звуки за тембром: ту саму ноту, взяту на роялі, саксофоні або різними людьми, ми сприймаємо по-різному. Такі різноманітні «відтінки» звуків і називають тембрами.

Річ у тім, що звуки є складними: крім основної частоти (за якою ми й оцінюємо висоту звуку) будь-який звук містить кілька більш слабких і більш високих додаткових частот — обертонів. Чим більше обертонів містить основний звук, тим він багатший.

4. Спостерігаємо відбивання звуку

Якщо порівняти поширення звуку з поширенням світла, то можна помітити деякі спільні риси. І це не є випадковим: світло також є хвилею, але не механічною (про це ви дізнаєтесь пізніше). На межі поділу різних середовищ звукова хвиля, як і світло, зазнає заломлення, поглинання та відбивання. Зупинимося детальніше на відбиванні звуку. Якщо стати недалеко від скелі або поодинокого хмарочоса та плеснути в долоні чи гучно крикнути, через невеликий інтервал часу почуємо повторення звуку. Це — відлуння (рис. 18.6).

Рис. 18.6. Відлуння утворюється внаслідок відбивання звуку

Відлуння — це звук, відбитий від віддаленої перешкоди.

Якщо відстань до перешкоди є досить великою, а звук коротким (удар, оплеск, скрик), ми чуємо чітке повторення звуку. Якщо звук є довгим, то відлуння змішується з первинним звуком і відбитий звук буде нерозбірливим.

• Чому, на вашу думку, під час грози, після того як пролунає перший удар грому, ми ще деякий час чуємо його гуркіт?

На явищі відбивання звуку ґрунтується дія шумозахисних екранів, які встановлюють уздовж автомобільних трас і біля аеропортів. Дослідження відбивання, розсіювання та згасання звуку в газах, рідинах і твердих тілах дозволяє отримати інформацію про внутрішню будову середовища, яким поширюється звук.

5. Розрізняємо інфразвук і ультразвук

Звукові хвилі, частота яких менша за 20 Гц, називають інфразвуковими (від латин. infra — нижче, під).

Інфразвукові хвилі виникають під час роботи деяких механізмів, у разі вибухів, обвалів, потужних поривів вітру, під час шторму, землетрусу тощо.

Інфразвук є дуже небезпечним для тварин і людини: він може викликати симптоми морської хвороби, запаморочення, засліплення, спричинити підвищену агресивність. У разі тривалої дії інтенсивне інфразвукове випромінювання може призвести до зупинки серця. При цьому людина навіть не розуміє, що відбувається, адже вона не чує інфразвук.

Звукові хвилі, частота яких перевищує 20 кГц, називають ультразвуковими (від латин. ultra — понад, за межами).

Ультразвук наявний у шумі вітру та водоспаду, у звуках, які видають деякі живі істоти. З’ясовано, що ультразвук до 100 кГц сприймають багато комах і гризунів (рис. 18.7); уловлюють такі коливання й собаки. Цікаво, що діти, на відміну від дорослих, також чують ультразвукові сигнали (до 24 000 Гц).

Рис. 18.7. Ультразвуковий випромінювач для відлякування комах

Деякі істоти застосовують ультразвук для орієнтації або полювання. Так, кажани та дельфіни випромінюють ультразвук і сприймають його відлуння, завдяки чому вони навіть у повній темряві можуть знайти дорогу або спіймати здобич. Кажуть, що в таких випадках тварини користуються ехолокацією (рис. 18.8).

Рис. 18.8. Під час полювання кажани «застосовують» ехолокацію

Ехолокація — спосіб виявлення й отримання інформації про об’єкт за допомогою відлуння.

Люди навчилися застосовувати ехолокацію в різних галузях, причому найчастіше для ехолокації використовують саме ультразвук.

Наприклад, у медицині ехолокація дозволяє «побачити» ще не народжене немовля, дослідити стан внутрішніх органів, виявити сторонні тіла в тканинах. У техніці ехолокацію застосовують для виявлення дефектів у виробах, вимірювання глибин морів і океанів (рис. 18.9) та ін.

Рис. 18.9. Вимірювання глибини водойм за допомогою ехолокації

Крім того, ультразвуком знезаражують хірургічні інструменти, ліки, руки хірургів тощо. Лікування за допомогою ультразвуку іноді дозволяє уникнути хірургічних операцій.

Ультразвук застосовують також для обробки міцних матеріалів, очищення поверхонь від забруднень тощо.

Контрольні запитання

1. Що таке звук? 2. Наведіть приклади джерел і приймачів звуку. 3. Чому джерело звуку випромінює звук? 4. Від чого залежить швидкість поширення звуку? 5. Якою фізичною величиною визначається висота тону? 6. Чим визначається гучність звуку? 7. Наслідком якого явища є відлуння? 8. Що таке інфразвук? Як він впливає на людину? 9. Що таке ультразвук? Наведіть приклади застосування ультразвуку в природі, медицині, техніці. 10. Що таке ехолокація?

1. Ніжки камертона коливаються із частотою 440 Гц. Чи сприймаємо ми хвилю, що поширюється від ніжок, як звук?

2. Чому метелика, який летить, не чути, а коли летить комар, ми чуємо дзижчання?

3. Визначте довжину звукової хвилі частотою 4 кГц у повітрі; воді; сталі.

4. Чому музика і голоси співаків по-різному звучать у порожній залі й у залі, заповненій публікою?

5. За допомогою ультразвуку вимірювали глибину моря (див. рис. 18.9). Сигнал, відбитий від морського дна, було зафіксовано через 4 с після його відправлення. Якою є глибина моря в місці вимірювання?

6. Скільки коливань здійснює джерело звуку за 5 с, якщо довжина хвилі в повітрі дорівнює 1 м?

7. Швидкість поширення звуку в металі першим визначив французький фізик Жан-Батист Біо (1774-1862). Він використав чавунну трубу паризького водогону (завдовжки 951 м). Коли по одному кінцю труби вдаряли молотком, то з другого кінця чули подвійний удар. На скільки секунд звук, який ішов чавуном, обганяв звук, що йшов повітрям?

8. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, де використовують ультразвук.

9. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь про вплив шуму на здоров’я людини. Як максимально зменшити шкідливу дію шуму?

10. Джерело світла і дзеркало розташовані на одній прямій на відстані 10,8 км одне від одного. Через який час спалах світла досягне дзеркала та повернеться назад?

Експериментальні завдання

1. «Майже Піфагор». Дослідження звуків, які, коливаючись, видає струна, здійснював ще давньогрецький учений Піфагор (VI ст. до н. е). Він вивчав залежність висоти тону звуку від довжини струни. Скориставшись натягнутою ниткою, з’ясуйте, як висота тону залежить від довжини нитки.

2. «Музична лінійка». Повторіть дослід, зображений на рис. 18.1. Зменшуючи довжину частини лінійки, що коливається, доведіть, що, чим ця довжина менша, тим більшою є частота випромінюваного звуку.

3. «Чутлива кулька». Використавши підвішену на нитці легку кульку, доведіть, що під час випромінювання звуку ніжки камертона коливаються, а гучність звуку залежить від амплітуди коливань.

Фізика і техніка в Україні

Борис Павлович Грабовський (1901-1966) — український фізик і винахідник, творець електронної системи передавання рухомого зображення на відстані (на її принципах працює сучасне телебачення); син видатного українського поета Павла Грабовського.

Перший винахід Б. П. Грабовського — катодний комутатор, який став основою для побудови передавальної телевізійної трубки, а наступний — проект телеустановки, яку автор назвав «радіотелефот».

26 липня 1928 р. у Ташкенті відбувся експеримент, під час якого вперше у світі за допомогою електронного методу транслювалося рухоме зображення (обличчя лаборанта).

Серед винаходів Бориса Грабовського — малолітражний гелікоптер, трикрилий планер, прилад для орієнтації сліпих і апарат для глухонімих. Запатентовану вченим ідею отримання катодного променя було успішно використано в Інституті електрозварювання, про що винахідникові писав особисто директор інституту академік Б. Є. Патон.

У 1977 р. в Ташкенті засновано Музей електронного телебачення імені Б. Грабовського. Є музей Бориса Грабовського в Тюмені, а також у селі Пушкарному (тепер Грабовському), що на Сумщині.