Упругие волны. Ультразвук и инфразвук. Эффект Доплера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Упругие волны. Ультразвук и инфразвук. Эффект Доплера

1. Упругие волны в газах, жидкостях и твёрдых телах

Упругие волны ? упругие возмущения, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразных средах, например волны, возникающие в земной коре при землетрясениях, звуковые и ультразвуковые волны в жидкостях, газах и твёрдых телах. При распространении упругих волн в среде возникают механические деформации сжатия и сдвига, которые переносятся волной из одной точки среды в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации в отсутствие потока вещества (исключая особые случаи, например, акустические течения). Всякая гармоническая упругая волна характеризуется амплитудой колебат. смещения частиц среды и его направлением, колебательной скоростью частиц, переменным механическим напряжением и деформацией (которые в общем случае являются тензорными величинами), частотой колебаний частиц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны.

В жидкостях и газах, которые обладают упругостью объёма, но не обладают упругостью формы, могут распространяться лишь продольные волны разрежения-сжатия, где колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Фазовая скорость их

где К ? модуль всестороннего сжатия, с ? плотность среды. Пример таких упругих волн ? звуковые волны.

В однородной изотропной бесконечно протяжённой твёрдой среде могут распространяться упругие волны только двух типов ? продольные и сдвиговые. В продольных упругих волнах движение частиц параллельно направлению распространения волны, а деформация представляет собой комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. В безграничной среде распространяются продольные и сдвиговые волны трёх типов ? плоские, сферические и цилиндрические. Их особенность ? независимость фазовой и групповой скоростей от амплитуды и геометрии волны. Фазовая скорость продольных волн в неограниченной твёрдой среде

сдвиговых волн

здесь G ? модуль сдвига. Величины с_l и с_t, для разных сред колеблются в пределах от сотен до нескольких тысяч м/с.

На границе твёрдого полупространства с вакуумом, газом, жидкостью или с другими твёрдым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны, являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы.

В ограниченных твёрдых телах (пластина, стержень), представляющих собой твёрдые акустические волноводы, могут распространяться только нормальные волны, каждая из которых является комбинацией нескольких продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под острыми углами к оси волновода и удовлетворяющих граничным условиям: отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Число n нормальных волн в пластине или стержне определяется толщиной или диаметром d, частотой щ и модулями упругости среды. При увеличении щd число нормальных волн возрастает, и при щd > ?. Нормальные волны характеризуются дисперсией фазовой и групповой скоростей.

В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн ? волны Лэмба и сдвиговые волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению распространения волны, другая ? перпендикулярна граням пластины. В плоской сдвиговой нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. В цилиндрических стержнях могут распространяться нормальные волны трёх типов ? продольные, изгибные, крутильные.

В любой упругой среде из-за внутреннего трения и теплопроводности распространение упругих волн сопровождается её поглощением. Если на пути упругих волн имеется какое-либо препятствие (отражающая стенка, вакуумная полость и т.д.), то происходит дифракция волн на этом препятствии; простейший случай дифракции ? отражение и прохождение упругих волн на плоской границе двух полупространств.

Область применения упругих волн чрезвычайно широка: низкочастотные упругие волны используются в сейсмологии (для регистрации землетрясений), в сейсморазведке. Упругие волны килогерцевого диапазона применяются в гидролокации и при исследованиях океана. Упругие волны ультра- и гиперзвукового диапазонов служат в физике для определения различных параметров твёрдых, жидких и газообразных сред, применяются в акустоэлектронике, в промышленности для технологических и контрольно-измерительных целей, в медицине и др. областях.

Сейсмические волны, порождающие колебания земной поверхности. Продольные (P_волны) и поперечные (S_волны) распространяются в твердом веществе Земли, они представляют собой объемные волны, при этом Р-волны в отличие от S_волн могут проходить и через жидкость. Вследствие сложных многократных отражений P- и S_волн в верхнем слое земной коры появляются поверхностные волны ? Лява и Рэлея.

Схема внутреннего строения Земли в соответствии с моделью, первоначально предложенной австралийским сейсмологом К.Е. Булленом, и пути распространения основных сейсмических волн ? продольных (Р), поперечных (S) и поверхностных (L) ? от очага до регистрирующей станции (1° = 110 км).

2. Ультразвук

Ультразвук это тип звуковых волн, который может возникать как искусственным путем, так и природным. Его применяют во многих отраслях производства и медицины для воздействия на поверхности. Но получение ультразвука может быть как специальным, так и случайным что нужно учитывать.

Источниками возникновения ультразвука являются различного рода станки в промышленности или специальные аппараты для создания ультразвуковых колебаний. Ультразвук применяется в промышленности и биологии, где применяют частоту колебаний в пределах нескольким МГц. Для создания и фокусировки таких пучков используют систему звуковых зеркал и линз. Изначально ультразвуковые волны получались благодаря механическому способу создания, но сейчас используют преобразователи, которые преобразуют энергию электрического импульса в механическое действие. Так получают ультразвуки в ходе производственных шумов, либо самых естественных шумов от ветра водопада или дождя. Некоторые из представителей животного мира, такие как касатки и дельфины способны генерировать ультразвуки для охоты в мутной воде.

Ультразвуковые излучатели можно условно разделить на две группы. Первая включает излучатели генераторы, которые генерируют колебания при наличии препятствия на пути постоянного потока - газа. Вторая группа называется электроакустической. Эти генераторы преобразуют заданную ультразвуковую частоту в механическое колебание, излучающее звуковую волну.

Примером механического создания ультразвуковых волн может служить Свисток Гальтона. Этот первый ультразвуковой свисток был сделан в 1883 года учёным по имени Гальтон. В этом свистке ультразвук создается, так же как и на острие ножа, когда на тот попадает поток воздуха. Через полый цилиндр воздух ударяется об острие в свитке, при котором возникает колебание высокой частоты в 170 кГц. Но эта цифра не фиксирована, она зависит от размера отверстия и отверстия, через которое проходит поток воздуха. Этот свисток применяется для подачи команд собакам.

Ещё одним средством для создания ультразвука является жидкостный ультразвуковой свисток. Он создан для работы в жидкой среде, но обладает малой мощностью. При возникновении ультразвуковых волн в жидкой среде не происходит потери энергии после перехода волны из одной среды в другую. Принцип действия таких свистков основан на выходе жидкости под давлением из эллиптического сопла, которая направляется на стальные пластины, которые вибрируют с ультразвуковой частотой.

Ещё одним прибором для создания ультразвука являются Сирены. Она применяется в милицейских машинах и пожарных машинах. Она состоит из камеры, которая закрыта сверху диском и в нем сделано большое количество отверстий, количество которых такое же и на роторе, внутри камеры диски. При вращении положения отверстий в статоре и роторе совпадают, и образуется вхождение сжатого потока воздуха, и такая частота находится в пределе ультразвуковой.

Таким образом, существуют приспособления для получения ультразвука, которые основаны как на механическом воздействии, так и на электроакустическом. И оба из них применяются, по сей день.

Действие УЗВ на биологические объекты

Прежде чем говорить о влиянии ультразвука, нужно вспомнить, что ультразвуковые волны имеют большую частоту колебаний и малую длину за счёт чего не могут распространяться в воздушном пространстве. Коэффициент рассеивания энергии таких волн весьма велик и потому ультразвуковые колебания обладают локальным воздействием, то есть действуют на организм при непосредственном воздействии через соприкосновение со средой распространения.

Всё сказанное ранее справедливо для ультразвуков высокой частоты колебаний, что же касается низкочастотных ультразвуков, то они могут распространяться в воздушном пространстве. Такое длительное влияние ультразвука на человека имеет пагубное действие и может вызывать расстройство нервной системы. При длительном и систематическом воздействии, начинается изменение сердечнососудистой и эндокринной систем. Что касается ощущения пространства, оно тоже может пострадать в ходе длительного влияния ультразвуковых волн. Само же биологическое воздействие ультразвука определяется его интенсивностью. Так на начальных стадиях, при длительном и систематическом воздействии ультразвука, поражения, развиваются вегето-сосудистая дистония и астенический синдром. Степень выраженности изменений во многом зависит как от длительности, так и от интенсивности воздействия ультразвука, и может увеличиваться при наличии в спектре ультразвука различны шумов высокочастотных колебаний. Если таковой шум присутствует в спектре, то наблюдается ухудшение органов слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком, наблюдаемые расстройства приобретают более выраженный и стойкий характер. При локальном воздействии ультразвука может, а точнее возникнет, явление вегетативного полиневрита рук. Это заболевания нервов периферийной нервной системы. Такое воздействие может быть чревато поражением вирусной инфекцией центрального узла периферийной нервной системы. Это в итоге приведёт к развитию пареза кистей рук, а может даже и предплечий. Это значит, что влияние ультразвука на человека при длительном воздействии и определенных параметрах частоты и интенсивности могут привести к нарушению моторных функций связанных с поражением двигательных центров, которые приводят в движение мышцы. В частных случаях и в зависимости от индивидуальных особенностей такое пагубное воздействие приводит к ослаблению группы мышц и последующей утрате произвольных движений, иными словами это может привести к параличу. Ниже приведены картинки с порезом лица и парезом кистей, оба случая могут возникнуть под влияние ультразвука на человека.

упругий волна ультразвук газообразный

3. Инфразвук

Инфразвук (от лат. infra - ниже, под) - упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоты ниже слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового (ИЗ) диапазона принимают 16-25 Гц, нижняя граница не определена. Практический интерес могут представлять колебания частотой от десятых и даже сотых долей герца, т.е. периодами в десяток секунд. Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса, моря. Источниками ИЗ-колебаний являются грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются ИЗ-колебания, возбуждаемые самыми разнообразными источниками, в том числе землетрясениями, взрывами, обвалами и даже транспортными средствами.

Поскольку инфразвук слабо поглощается в различных средах, он может распространяться на очень большие расстояния в воздухе, воде и земной коре. Это находит практическое применение при определении местоположения эпицентра землетрясения, сильного взрыва или стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказывать стихийные бедствия, например, цунами. Взрывы, порождающие большой спектр ИЗ-частот, применяются для исследования верхних слоёв атмосферы, свойств водной среды. Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию его уровня. Основные техногенные источники инфразвука в городе приведены в таблице.

4. Эффект Доплера и его применение (ИДЛ)

Волны принято описывать их частотой (число волновых пиков в секунду в точке наблюдения) или длиной (расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами). Эти две характеристики связаны между собой через скорость распространения волны в среде, поэтому, зная скорость распространения волны и одну из главных волновых характеристик, можно легко рассчитать другую. Как только волна пошла, скорость ее распространения определяется только свойствами среды, в которой она распространяется, - источник же волны никакой роли больше не играет. По поверхности воды, например, волны, возбудившись, далее распространяются лишь в силу взаимодействия сил давления, поверхностного натяжения и гравитации. Акустические же волны распространяются в воздухе (и иных звукопроводящих средах) в силу направленной передачи перепада давлений. И ни один из механизмов распространения волн не зависит от источника волны. Отсюда и эффект Доплера.

Задумаемся над примером с воющей сиреной. Предположим для начала, что спецмашина стоит. Звук от сирены доходит до нас потому, что упругая мембрана внутри нее периодически воздействует на воздух, создавая в нем сжатия - области повышенного давления, - чередующиеся с разрежениями. Пики сжатия - «гребни» акустической волны - распространяются в среде (воздухе), пока не достигнут наших ушей и не воздействуют на барабанные перепонки, от которых поступит сигнал в наш головной мозг (именно так устроен слух). Частоту воспринимаемых нами звуковых колебаний мы по традиции называем тоном или высотой звука: например, частота колебаний 440 герц в секунду соответствует ноте «ля» первой октавы. Так вот, пока спецмашина стоит, мы так и будем слышать неизмененный тон ее сигнала. Но как только спецмашина тронется с места в вашу сторону, добавится новый эффект. За время с момента испускания одного пика волны до следующего машина проедет некоторое расстояние по направлению к вам. Из-за этого источник каждого следующего пика волны будет ближе. В результате волны будут достигать ваших ушей чаще, чем это было, пока машина стояла неподвижно, и высота звука, который вы воспринимаете, увеличится. И, наоборот, если спецмашина тронется в обратном направлении, пики акустических волн будут достигать ваших ушей реже, и воспринимаемая частота звука понизится. Вот и объяснение тому, почему при проезде машины со спецсигналами мимо вас тон сирены понижается.

Мы рассмотрели эффект Доплера применительно к звуковым волнам, но он в равной мере относится и к любым другим. Если источник видимого света приближается к нам, длина видимой нами волны укорачивается, и мы наблюдаем так называемое фиолетовое смещение (из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник удаляется, происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

Этот эффект назван в честь Кристиана Иоганна Доплера, впервые предсказавшего его теоретически. Эффект Доплера меня на всю жизнь заинтересовал благодаря тому, как именно он был впервые проверен экспериментально. Голландский ученый Кристиан Баллот (Christian Buys Ballot, 1817-1870) посадил духовой оркестр в открытый железнодорожный вагон, а на платформе собрал группу музыкантов с абсолютным слухом. (Идеальным слухом называется умение, выслушав ноту, точно назвать её.). Всякий раз, когда состав с музыкальным вагоном проезжал мимо платформы, духовой оркестр тянул какую-либо ноту, а наблюдатели (слушатели) записывали слышащуюся им нотную партитуру. Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что, собственно, и предсказывалось законом Доплера.

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Несколько более эзотерическое применение эффект Доплера нашел в астрофизике: в частности, Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения красное доплеровское смещение, из чего был сделан вывод, что галактики удаляются от нас (см. Закон Хаббла). По сути, это был столь же однозначный вывод, как если бы вы, закрыв глаза, вдруг услышали, что тон звука двигателя машины знакомой вам модели оказался ниже, чем нужно, и сделали вывод, что машина от вас удаляется. Когда же Хаббл обнаружил к тому же, что чем дальше галактика, тем сильнее красное смещение (и тем быстрее она от нас улетает), оно понял, что Вселенная расширяется. Это стало первым шагом на пути к теории Большого взрыва - а это вещь куда более серьезная, чем поезд с духовым оркестром.

Размещено на Allbest.ru