Ультразвуки и инфразвуки. Их практическое применение и распространение в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат по физике на тему

«Ультразвуки и инфразвуки. Их практическое применение и распространение в природе

Составила студентка группы н-10 отделения СПО Куприенко Вера Васильевна

Преподаватель: Федотова Валентина Николаевна

ноябрь 2010 год



Физические параметры ультразвука

Ультразвуком называют механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/см2). Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако некоторые животные, например, летучие мыши могут и слышать, и издавать ультразвук. Частично воспринимают его грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Ультразвуковые колебания возникают при работе моторов автомобилей, станков и ракетных двигателей.

Распространение ультразвука

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия, называется колебательной скоростью.

Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:

,

где - величина колебательной скорости;

- амплитуда колебательной скорости;

- частота ультразвука;

- время;

- разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным

акустическим давлением.

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

= 2,

где - амплитуда смещения частиц среды.

Скорость распространения ультразвуковых волн

Колебательное движение передается от одной частицы к другой не мгновенно, а с некоторой скоростью. Таким образом, ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с конечной скоростью, определяющейся упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость ультразвука в жидких и твердых телах значительно выше, чем в воздухе (приблизительно 330 м/с). В воде скорость ультразвука при 20оС примерно равна 1500 м/с, в сыворотке крови - 1520 м/с, в мягких тканях организма с плотностью среды около 1060 кг/м3 - 1540 м/с, в костных тканях - 3350 м/с.

Дифракция и интерференция

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определенной точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определенной точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определенного участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и ее структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает, на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 37%). При частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. При частоте 2,4 МГц интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани на глубине 1,5 см, уменьшается в два раза.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается наполовину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеивание ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеивание звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых лучей.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей.

Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1 - 0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие ее ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела.

Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях - ультразвуковых весах.



Влияние ультразвука на организм человека

Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания.

Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно - сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов.

Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер. При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног), вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции.

В физиотерапии обычно применяют ультразвуковые волны с частотой 0,8 - 3 МГц. Большинство серийных ультразвуковых терапевтических аппаратов работают на одной из фиксированных частот этого диапазона, чаще всего - на 0,88 МГц.

Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия. Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект.

В поле ультразвуковых колебаний в живых тканях ультразвук оказывает

механическое, термическое, физико-химическое воздействие (микромассаж клеток и тканей). При этом активизируются обменные процессы, повышаются иммунные свойства организма. Ультразвук оказывает обезболивающее, спазмолитическое, противовоспалительное и общетонизирующее действие, стимулирует кровообращение и лимфообращение, ускоряет регенеративные процессы, улучшает трофику тканей. Так как ультразвук полностью отражается от тончайших прослоек воздуха, к телу его подводят через безвоздушные контактные среды.

Источники ультразвука

Ультразвук - это колебания с частотами, большими 20000 Гц. Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария.

В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

Свисток Гальтона

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон.

Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет "губа" в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту "губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 КГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.

Жидкостный ультразвуковой свисток

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку.

Различные модификации этой конструкции получили широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена

Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Основная задача при изготовлении сирен - это, во-первых, сделать как можно больше отверстий в роторе и, во-вторых, достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Электромеханические генераторы ультразвука

На практике для получения ультразвука обычно применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на способности некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного (магнитострикционные генераторы) или электрического поля (пьезоэлектрические генераторы), при этом генераторы издают звуки высокой частоты.

Практическое применение ультразвука

Приготовление смесей с помощью ультразвука

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика. Широкое внедрение такого метода приготовления эмульсий в промышленность началось после изобретения жидкостного свистка.

Применение ультразвука в биологии

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения внутриклеточных структур (митохондрии и хлоропласты) с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями (аналитическая цитология).

Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК.

Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Применение ультразвука для диагностики (УЗИ)

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании больного необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

Для исследования органов брюшной полости и пространства за ней, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

Генератором ультразвуковых волн является пьезодатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.

Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики (или трансдюсоры) ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа. Для щитовидной железы используются конвексные трансдюсоры на 7,5 МГц, для исследования почек и печени в равной степени пригодны как линейные, так и конвексные датчики.

Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдюсора на поверхности тела. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям.

Конвексный датчик имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использованииь конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие.

Секторный датчик имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки.

Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки черно-белого цвета.

Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная - черным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение.

Выбор позитивной или негативной регистрации не имеет значения. Полученное изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью термопринтера.

Первая попытка изготовить фонограммы человеческого тела относится к 1942 году. Немецкий ученый Дуссиле "освещал" ультразвуковым пучком человеческое тело и затем измерял интенсивность пучка, прошедшего через тело (методика работы с рентгеновскими лучами Мюльхаузера). Вначале 50-х годов американские ученые Уилд и Хаури впервые и довольно успешно применили ультразвук в клинических условиях. Свои исследования они сосредоточили на мозге, так как диагностика с помощью рентгеновских лучей не только сложна, но и опасна. Применение ультразвука для диагноза при серьезных повреждениях головы позволяет хирургу точно определить места кровоизлияний.

Ультразвуковые зонды применяются для измерения размеров глаза и определения положения хрусталика, при определении местонахождения камней в желчном пузыре. Существуют зонды, которые помогают во время операций на сердце следить за работой митрального клапана, расположенного между желудочком и предсердием.

Использование эффекта Доплера в диагностике

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Доплера.

Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя. В настоящее время на основе эффекта Доплера исследованы только движение крови и биение сердца. Этот эффект широко применяется в акушерстве, так как звуки, идущие от матки легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через мочевой пузырь. Когда матка наполняется жидкостью, она сама начинает проводить звук. Положение плаценты определяется по звукам протекающей через нее крови, а через 9 - 10 недель с момента образования плода прослушивается биение его сердца. С помощью ультразвуковых устройств количество зародышей или констатировать смерть плода.

Применение ультразвука в терапии и хирургии

Основная задача применения ультразвука низких интенсивностей (0,125 - 3,0 Вт/см2) - не повреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (> 5 Вт/см2) основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.

Ультразвук применяют в физиотерапии и в некоторых видах лечения рака.

Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, механических наконечников.

Ретон - аппарат ультразвуковой терапии

Низкочастотный аппарат “РЕТОН” предназначен для применения в лечебно-профилактических учреждениях и в домашних условиях. Основная функция аппарата - ультразвуковая терапия, дополнительная - фонофорез. При помощи аппарата «РЕТОН» генерируются ультразвуковые колебания новой частоты (110 кГц), воздействующие на глубоколежащие мышцы и внутренние органы, что используется для проведения ультразвуковой терапии.

Лечение в домашних условиях аппаратом “РЕТОН” привлекательно тем, что после процедуры больному нет необходимости передвигаться, выходить на улицу, ездить на транспорте или совершать какие-либо другие действия, которые не только не способствуют лечению, но иногда наносят вред (например, охлаждение после физиотерапевтических процедур в холодную погоду при амбулаторном лечении).

Ультразвуковая ванна

Ультразвуковая ванна -- устройство для создания кавитации в жидкости, налитой в ванну. Обычно применяется для ультразвуковой очистки твёрдых тел в моющих растворах, однако может использоваться и для ускорения физико-химических процессов в жидкостях (перемешивание, растворение, эмульгирование, экстракция, обеззараживание и т. п.).

Кавитация -- (от лат. cavitas -- пустота) -- образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну. Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.

Метод ультразвуковой очистки заключается в образовании в моющей жидкости чередующихся высоких и низких волн давления, которые при определенной частоте, известной как резонансная частота, создают кавитацию, то есть образуют миллионы микроскопических пузырьков. Эти пузырьки разбиваются о поверхность изделия и удаляют загрязнения даже в местах, недоступных при применении других методов. До сих пор подробности того, как пузыри производят очистку, до конца не поняты.

Обычно ультразвуковая ванна представляет собой ёмкость из нержавеющей стали (встречаются и другие материалы), ко дну или стенкам которой прикреплены ультразвуковые преобразователи (излучатели), обычно пьезоэлектрические. На преобразователи подаётся переменное напряжение соответствующей частоты с электронного ультразвукового генератора. Преобразователи могут также встраиваться в отверстия в корпусе ванны или помещаться в ванну в виде отдельных модулей. Последний способ позволяет изготавливать ультразвуковые ванны очень больших размеров.

Ультразвуковые ванны применяются во многих областях:

- в медицине и лабораториях: для очистки посуды, инструментов и т. д., ускорения химических реакций, исследования различных процессов в жидкостях;

- в промышленности и ремонте: для очистки деталей машин и механизмов;

- в ювелирных и реставрационных мастерских: для очистки мелких предметов сложной формы.

Ультразвуковой дальнометр

Ультразвуковой дальномер - устройство для измерения расстояния, бесконтактным способом. Прибор основан на эффекте отражения звуковых волн. Эти волны можно представить как продольные колебания давления в среде их распространения. Предметы, размеры которых превышают длину падающей звуковой волны, отражают её; отражённая волна называется эхом. Если скорость звука в среде известна и можно измерить время распространения волны от источника до объекта и обратно, то расстояние между излучателем и предметом может быть точно вычислено.

Сферы применения. 1) С помощью ультразвука геофизики находят залежи ценных ископаемых и определяют глубину их местонахождения.

2) Эхолокация в военной отрасли. Окруженная вражескими суднами подводная лодка имеет только один безопасный способ связаться с базой - передать сигнал в водной среде. Для этого используется особенный условный ультразвуковой сигнал определенной частоты - перехватить такое послание практически невозможно, т.к. для этого необходимо знать его частоту, точное время передачи и «маршрут». Однако отправка сигнала с лодки также является сложнейшей процедурой - необходимо учитывать все глубины, температуру воды и т.д. База, получая сигнал, и, зная время его прохождения, может высчитать расстояния до лодки, в результате - ее местонахождение. Также в подводном флоте используют специальные короткие ультразвуковые импульсы, посылаемые гидролокатором прямо с подводной лодки; импульс отражается от предметов - скал, других судов, и с его помощью рассчитывают направление и расстояние до препятствия.

Ультразвуковые увлажнители воздуха

Увлажнитель воздуха - это прибор, предназначенный для поддержания определенного уровня влажности в замкнутом помещении. Самыми эффективными и экономными на сегодняшний день считаются ультразвуковые увлажнители воздуха. Это наиболее совершенный и популярный тип увлажнителей воздуха. Они имеют небольшие габариты, малую потребляемую мощность и высокую производительность.

В ультразвуковых увлажнителях воздуха используется свойство пьезоэлектриков преобразовывать электрические колебания в механические. На погруженный в воду пьезоэлектрический кристалл подается высокочастотное (ультразвуковой частоты) напряжение, преобразуемое в механическую вибрацию. В водяном слое образуются чередующиеся между собой волны повышенного и пониженного давления. В областях пониженного давления происходит вскипание жидкости при обычной комнатной температуре (кавитация) с выбросом в воздух мелкодисперсных частиц. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, подает водяную взвесь в помещение, где она переходит в парообразное состояние. Некоторые модели ультразвуковых увлажнителей воздуха помимо гигростатов снабжены дисплеями и пультами дистанционного управления. В ультразвуковых увлажнителях воздуха, также как и в «холодных» увлажнителях воздуха, используется деминерализованная или дистиллированная вода. Производительность ультразвуковых увлажнителей 7 - 12 литров/сутки при потребляемой мощности 40 - 50 Вт.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков.

Пьезоэффект наблюдается в кварце, где он происходит вдоль электрических осей X1, X2, X3 кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный.

В металолитейной отрасли

Ультразвук применяется для диагностики состояния кристаллической решетки металла. При «прослушивании» труб, балок у качественных изделий получается определенный сигнал, если же у изделия что-то отличается от нормы (плотность, дефект конструкции), сигнал будет другим, что и укажет инженеру на брак.

Стиральная машинка

Сегодня огромное распространение получили всевозможные аппараты с использованием ультразвуковых импульсов. И распространение не только в промышленности, но и хозяйстве современных россиян. Один из самых известных аппаратов - ультразвуковая стиральная машинка: небольшая «таблетка», подсоединяющаяся к сети и стирающая без моющих средств. Такое приспособление получает самые положительные отзывы: стирка бесшумная и экономичная - аппарат требует крайне мало вспомогательных моющих средств и потребляет энергии меньше 50-ваттовой лампочки, белье не только очищается, но и дезинфицируется.

Пьезокерамические излучатели возбуждают ультразвуковые колебания, образующие в растворе огромное количество микроскопических пузырьков (кавитация) с высолим давлением внутри, которые, взрываясь, нарушают сцепление загрязненных микрочастиц с волокнами изделий и облегчают их удаление поверхностно-активными веществами моющего раствора стирального порошка или мыла. Таким образом, очищение волокон ткани происходит изнутри, что позволяет достигать высокой эффективности стирки.

Ультразвуковой пилинг

Это технология применения ультразвука в косметических целях для очистки пор, освежения, омоложения увядшей кожи.

Применение ультразвука в природе

Эхолокация

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 - 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мБар, т.е. соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мБар, т.е. в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мБар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 - 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами.

Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отраженными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полета эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отраженного ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их "слуховых" центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, "сбивающий со следа" летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Не менее умелые навигаторы - жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки - от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Самый большой подарок природы - это способность гуахаро к эхолокации. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щелкающие звуки, свободно улавливаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чуткой птицей.

Медузы и инфразвуки

На краю "колокола" у медузы расположены примитивные глаза и органы равновесия - слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть "уши" медузы. Однако "слышат" они не просто звуковые колебания, доступные и нашему уху, а инфразвуки с частотой 8 - 13 герц.

Перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлестывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания, их-то и улавливает своим куполом медуза. Колокол медузы усиливает инфразвуковые колебания (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.

Нужно отдать должное бионикам, которые создали электронный автоматический аппарат - предсказатель бурь, работа которого основана на принципе "инфрауха" медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.

Физические параметры инфразвука и влияние его на человека

Развитие техники и транспортных средств, совершенствование технологических процессов и оборудования сопровождаются увеличением мощности и габаритов машин, что обусловливает тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах и появление инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.

Инфразвуком называют акустические колебания с частотой ниже 20 Гц.

Этот частотный диапазон лежит ниже порога слышимости и человеческое ухо не способно воспринимать колебания указанных частот. Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов что и шум слышимых частот.

Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения). Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.

Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном аппарате. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора.

По характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. Гармонический характер спектра устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ. По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный. Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц.

Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.

Инфразвук отнюдь не является недавно открытым явлением. В действительности органистам он известен уже более 250 лет. Орган, клавишно-духовой музыкальный инструмент, самый большой и сложный из существующих инструментов. Огромный современный орган состоит как бы из трех и более органов, причем исполнитель может управлять одновременно всеми. Каждый из органов, входящих в состав такого «большого органа», имеет свои регистры (наборы труб) и свою клавиатуру (мануал). Во многих соборах и церквях есть столь длинные органные трубы, что они издают звук частотой менее 20 Гц, не воспринимаемый человеческим ухом. Но, как выяснили британские исследователи, такой инфразвук может вселить в аудиторию разнообразные и не слишком приятные чувства -- тоску, ощущение холода, беспокойство, дрожь в позвоночнике.

Сотрудник Национальной лаборатории физики в Англии доктор Ричард Лорд и профессор психологии Ричард Вайсман из Хертфордширского университета провели довольно странный эксперимент над аудиторией из 750 человек. С помощью семиметровой трубы им удалось примешать к звучанию обычных акустических инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта, слушателей попросили описать их впечатления. "Подопытные" сообщили, что почувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже побежали мурашки, у кого-то возникло тяжелое чувство страха. Самовнушением это можно было бы объяснить лишь отчасти. Из четырех сыгранных на концерте произведений, инфразвук присутствовал только в двух, при этом слушателям не сообщали, в каких именно. "Некоторые ученые полагают, что инфразвуковые частоты могут присутствовать в местах, которые, по легендам, посещают призраки, и именно инфразвук вызывает странные впечатления, обычно ассоциирующиеся с привидениями, - наше исследование подтверждает эти идеи", - заявил Вайсман.

Результаты свидетельствуют, что странные ощущения возрастали на 22% при прослушивании самых низких нот. По мнению профессора Ричарда Вайсмана, именно наличием таких труб в органе можно объяснить таинственный трепет, охватывающий многих прихожан, который они отождествляют с Богом. "Странные ощущения" включали в себя: "дрожь в суставах", "странное ощущение в животе", "участившееся сердцебиение", "ужасное беспокойство", "внезапное воспоминание об утрате".



Профилактика и лечение заболеваний, вызванных инфразвуком

Наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение должно отдаваться малогабаритным машинам большой жесткости, так как в конструкциях с плоскими поверхностями большой площади и малой жесткости создаются условия для генерации инфразвука. Борьбу с инфразвуком в источнике возникновения необходимо вести в направлении изменения режима работы технологического оборудования - увеличения его быстроходности (например, увеличение числа рабочих ходов кузнечнопрессовых машин, чтобы основная частота следования силовых импульсов лежала за пределами инфразвукового диапазона). Должны приниматься меры по снижению интенсивности аэродинамических процессов - ограничение скоростей движения транспорта, снижение скоростей истечения жидкостей (авиационные и ракетные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, системы сброса пара тепловых электростанций и т.д.). В борьбе с инфразвуком на путях распространения определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа, обычно при наличии дискретных составляющих в спектре инфразвука. Выполненное в последнее время теоретическое обоснование течения нелинейных процессов в поглотителях резонансного типа открывает реальные пути конструирования звукопоглощающих панелей, кожухов, эффективных в области низких частот. В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия сопутствующего шума.

К мерам профилактики организационного плана следует отнести соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ. При контакте с ультразвуком более 50% рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 часа работы. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур - массаж, ультразвуковое облучение, водные процедуры, витаминизация и др.

Применение ультразвука

Инфразвуковое оружие

Сейчас учеными ведется разработка так называемого «инфразвукового ружья». Низкочастотные звуковые волны здесь планируется использовать в качестве «генератора паники». В этом случае инфразвук намного удобнее высокочастотных волн, так как он сам по себе представляет угрозу для здоровья человека. Частоты нашей нервной системы и сердца лежат в диапазоне инфразвука - 6 Гц. Эмулирование этих частот приводит к плохому самочувствию, беспричинному страху, панике, сумасшествию, и, наконец, смерти. Что же мешает создать подобный аппарат? В 1970 этим занимался француз Гавро, и причины того, что «инфразвуковое» ружье еще не получило широкого применения, таковы: очень большие размеры, малая дальность, и …опасность для оператора. Зато преимущества также велики: управляя мощностью волны, можно будет избирательно оглушать или убивать, не подвергаясь опасности, ведь таким аппаратом можно управлять дистанционно, из изолированного от звуковых волн помещения.

Инфразвуковой отпугиватель грызунов

Основной принцип работы отпугивателя грызунов заключается в воздействии на грызунов звуковыми и ультразвуковыми волнами, вызывающими у паразитов непреодолимое желание немедленно покинуть помещение. Прибор уникален и замечателен тем, что он почти безвреден для человека, домашних животных и птиц, его действие направлено только на вредителей.

Несмотря на положительные качества прибора, не стоит думать, что действует он мгновенно. Требуется довольно длительное время, чтобы полностью избавиться от грызунов. Отпугиватель крыс действует на разных особей по-разному: для мышей, в среднем, требуется до семи суток, а для крыс - до четырех недель. Иногда период борьбы с грызунами растягивается до двух месяцев.

Для того чтобы добиться устойчивого результата, первое время (около месяца, но период будет колебаться в зависимости от сложности конкретной ситуации) УЗГ «Спектр» (отпугиватель грызунов) нужно держать включенным все время. Когда будет, достигнут желаемый эффект, можно использовать прибор всего несколько дней в два месяца в целях профилактики.

Прибор (отпугиватель грызунов) имеет два режима работы: первый заключается в постоянном излучении ультразвуковых волн в течение двух недель, затем происходит автоматический переход во второй режим. Второй режим заключается в смене излучения и паузы, то есть прибор излучает волны в течение пятнадцати минут, а затем десять минут следует пауза. Второй режим не ограничивается во времени. Так же возможна смена режимов вручную.

Инфразвуковые аномалии

Береговая линия Северной Америки в районе мыса Гаттерас, полуостров Флорида и остров Куба образуют гигантский рефлектор. Шторм, происходящий в Атлантическом океане, генерирует инфразвуковые волны, которые, отразившись от этого рефлектора, фокусируются в районе "Бермудского треугольника".

Колоссальные размеры фокусирующей структуры позволяют предположить наличие областей, где инфразвуковые колебания могут достигать значительной величины, что и является причиной происходящих здесь аномальных явлений. Как известно, сильные инфразвуковые колебания вызывают у человека панический страх вместе с желанием вырваться из замкнутого пространства. Очевидно, такое поведение является следствием выработанной ещё в далеком прошлом "инстинктивной" реакции на инфразвук как предвестник землетрясения. Именно эта реакция заставляет экипаж и пассажиров в панике покидать свой корабль. Они могут сесть в шлюпки и уплыть от своего судна или выбежать на палубу и броситься за борт. При очень большой интенсивности инфразвука, они могут и вовсе погибнуть - попадая в резонанс с биоритмами человека, инфразвук особо высокой интенсивности может вызвать мгновенную смерть.

Инфразвук может быть причиной резонансного колебания корабельных мачт, приводящих к их поломке (к аналогичным последствиям может привести воздействие инфразвука на элементы конструкции самолёта). Низкочастотные звуковые колебания могут быть причиной появления над океаном быстро возникающего и также быстро исчезающего густого ("как молоко") тумана - атмосферная влага, сконденсировавшиеся за время фазы разряжения, может не успевать растворяться в воздухе за время последующей фазы сжатия, но в тоже время способна "мгновенно" исчезнуть, в течение несколько периодов отсутствия инфразвуковых колебаний. И, наконец, инфразвук частотой 5-7 Гц может попасть в резонанс с маятником механических, ручных часов, имеющих тот же период колебаний. Очевидно, подобные фокусирующие структуры имеются и в других областях земного шара. По всей видимости, панический страх, вызываемый интенсивными инфразвуковыми колебаниями в одной из таких структур, послужил в качестве "отправной точки" мифа о сиренах...

Инфразвук может распространяться под водой, а фокусирующая структура -- образовываться рельефом дна. Источником инфразвуковых колебаний могут быть подводные вулканы и землетрясения. Естественно, форма "ландшафтных" отражателей весьма далека от совершенства. Поэтому следует говорить о системе отражающих элементов, конкретной для каждого случая. При размерах, соизмеримых с длиной волны, структура может быть резонирующей. Необходимо исследовать связь между параметрами источников инфразвуковых волн и распределением интенсивности инфразвуковых колебаний в каждом "подозрительном" районе. Закономерности возникновения опасных зон определят характер необходимых предупредительных мер.

Влияние инфразвука на человека, очевидно, не ограничивается прямым воздействием на его организм, в частности на нервную систему. Как уже сказано, в процессе эволюции у человека, видимо, сформировался центр, чувствительный к инфразвуковым колебаниям, -- предвестникам землетрясений и вулканических извержений. Комплекс реакций, которые должны проявляться при воздействии на этот центр, можно определить, зная его назначение -- обеспечивать выживание при подобных стихийных бедствиях.

Какие же это реакции? Очевидно следующие. Избегать замкнутых пространств, для того чтобы не попасть в завал. Стремиться удалиться от рядом находящихся объектов, грозящих обвалиться. Бежать "куда глаза глядят", для того чтобы выйти из района стихийного бедствия. Естественно, что всё это должно сопровождаться ("подогреваться") чувством панического ужаса. В пользу наличия такого механизма говорит достаточно чёткая целенаправленность поведения. В тоже время, при непосредственном воздействии на организм возникают неконкретные реакции, такие как вялость, слабость и различные расстройства, так же, как, например, при облучении рентгеновскими лучами, высокочастотными радиоволнами.

Человек утратил высокую чувствительность к инфразвуковым колебаниям, но при большой интенсивности древняя защитная реакция пробуждается, блокируя возможности сознательного поведения. Следует подчеркнуть, что страх не будет вызван внешними образами, а будет как бы "исходить изнутри". У человека будет ощущение, чувство "нечто ужасного". Видимо этим объясняются последние слова погибших лётчиков и моряков: "Небо какое-то не такое", "море выглядит как-то иначе", "происходит нечто ужасное". Думается, если бы страх вызывался внешними образами, то люди этих профессий, люди мужественные, привыкшие к опасностям, смогли бы передать конкретные сообщения.

В зависимости от интенсивности инфразвуковых колебаний, находящиеся на борту люди будут испытывать различные степени паники. Сознание человека будет подыскивать причину подобных явлений, -- пытаться их интерпретировать. И, если это сознание воспитано на легендах и мифах, то и интерпретация будет соответствующей, например, -- миф о зовущих сиренах (например, знаменитая "Одиссея" Гомера).

Животные, использующие инфразвук

ультразвук применение организм волна

Американские учёные обнаружили, что тигры и слоны используют для коммуникации друг с другом не только рычание, мурлыкание или рев и трубные позывы, но также и инфразвук, то есть звуковые сигналы очень низкой частоты, неслышные для человеческого уха.

Эд Волш и его коллеги из Национального исследовательского госпиталя "Бойз-таун" (Boys Town National Research Hospital) в Омахе, штат Небраска, проанализировали частотные спектры рычания представителей трёх подвидов тигра - уссурийского, бенгальского и суматранского - и обнаружили в каждом из них мощную низкочастотную компоненту. По мнению учёных, инфразвук позволяет животным поддерживать связь на расстоянии до 8 километров, поскольку распространение инфразвуковых сигналов почти не чувствительно к помехам, вызванным рельефом местности, и мало зависит от погодных и климатических факторов вроде влажности воздуха.