Звукові хвилі. Інфразвук і ультразвук

Звукові хвилі. Інфразвук і ультразвук

Звуки - це найперше, з чим стикається людина, з'являючись на світ. І останнє, що чує, залишаючи світ. А між першим і другим проходить ціле життя. І все воно побудоване на шумах, тонах, брязканнях, музиці, в чарівній симфонії звуків.

Звукові хвилі - це повздовжні хвилі: вони складаються із частинок, що коливаються вздовж напряму поширення хвилі, створюючи області високого і низького тиску. Вони можуть поширюватися в твердих тілах, рідинах і газах і мають широкий діапазон частот.

Хвилі з частотою приблизно від 20 до 20 000 герц (звуковий діапазон) сприймаються органами слуху людини і називаються звуком. Хвилі більшої і меншої частоти відомі як ультразвук та інфразвук.

Ультразвук — це звукові хвилі частотою більше 20 000 Гц, вони не сприймаються вухом людини. Бувають моменти, коли людина чує ультразвук. Наприклад, коли звучить сирена або свисток.

Перший ультразвуковий свисток зробив в 1883 році англієць Гальтон. Його застосовують при дресируванні кішок або собак.

Ультразвук має значну фізіологічну дію на живі організми. Ма­ленькі рибки, пуголовки, інфузорії гинуть під дією ультразвуково­го випромінювання.

Встановлено, що вплив ультразвуку на насіння деяких рослин сти­мулює їхній розвиток, скорочує вегетаційний період і збільшує вро­жайність.

У клінічній практиці відомі дуже цікаві досліди з вивчен­ня мікроструктури органів і тканин. Цей напрямок став розвиватися завдяки високій техніці реєстрації відбитих слабких ультразвукових сигналів. Ультразвукова біолокація дозволяє діагностувати злоякіс­ні пухлини, пухлини мозку і сторонні тіла (шматочки дерева, скла і т. п.) у тканинах.

Ультразвук застосовується також для стериліза­ції хірургічних інструментів, лікарських речовин, рук хірургів і сес­тер, для інгаляції.

Успішно стала застосовуватися ультразвукова хірургія. Вона ввійшла в практику всіляких медичних напрямків. В ортопедії, на­приклад, проводиться різання і зварювання кісток. При цьому розсічення кісткових тканин відбувається так, що уламків кісток немає. При операціях на плеврі, легенях, бронхах і судинах незамінні спе­ціальні інструменти - довгі і гнучкі ультразвукові хвилеводи. Остан­нім часом ультразвук почав застосовуватися в хірургії ока. Особливо він зручний для точного визначення розмірів очей, а також для дослідження патологій і аномалій його структур в разі непрозорості і, отже, недоступності для звичайного оптичного дослідження.

А канадським вченим вдалося навіть навчитися вирощувати втрачені зуби за допомогою ультразвуку.

Ультразвукова хвиля також здатна руйнувати багато мікроорганізмів, що дозволяє інактивувати такі віруси, як поліомієліт або енцефаліт. Вплив ультразвуку на білок призводить до порушення структури його частинок і їх розпаду.

Під впливом ультразвуку руйнуються лейкоцити і еритроцити крові, а її в'язкість і згортання значно зростає, крім того, прискорюється РОЕ.

У результаті тривалого впливу ультразвуком виникають підвищена сонливість, швидка стомлюваність, запаморочення, прояви вегетосудинної дистонії.

Але потрібно пам’ятати, що застосування ультразвуку в діагностиці не чинить негативного впливу на здоров’я людини. Даний спосіб дослідження є безпечним для людей всіх вікових категорій. Однак людям, чия діяльність пов’язана з ультразвуковим випромінюванням, необхідно дотримуватися правил техніки безпеки, щоб уникнути його шкідливого впливу.

У природі ж кажани, дельфіни, кити випромінюють ультразвуки в широкому діапазоні.

При полюванні кажан сканує простір навколо себе серіями ультразвукових криків, а при виявленні жертви видає ще більш швидку серію сигналів для точного визначення її місця розташування. У цей самий момент інша миша-конкурент може призвести спеціальний звук. Він накладається на крик першої миші, від чого та не зможе зловити жертву.

У нічних метеликів з сімейства ведмедиць сформувався особливий генератор ультразвукових перешкод, який «збиває зі сліду» кажанів. Самці багатьох видів молей самі можуть створювати схожі сигнали шляхом тертя лусочок одна об одну для полегшення спарювання. Зачувши такий звук і бажаючи залишитися непоміченою кажаном, самка молі сидить нерухомо, чим зазвичай і користується самець. 

Дельфін чітко відрізняє скелю від косяка риб. У Новій Зеландії, серед численних островів, де важко знайти морський шлях, один з дельфінів виконував обов'язки лоцмана 30 років.

У лабораторіях та на виробництві застосовуються ультразвукові ванни для очищення лабораторного посуду і деталей від дрібних частинок.

 У ювелірної промисловості ювелірні вироби очищають від дрібних частинок полірувальні пасти в ультразвукових ваннах.

У деяких пральних машинах застосовують ультразвук для прання білизни.

Загибель «Титаніка» у 1912 р. стала поштовхом для французького вченого Поля Ланжевена у винайденні ультразвукового локатора.

У минулому фахівцям вдавалося піднімати в повітря за допомогою ультразвуку зовсім невеликі предмети і навіть комах, однак більші об'єкти в цій ситуації починали неконтрольовано обертатися і утримуються в повітрі не дуже добре. В ході нових експериментів вчені вирішили цю проблему, утримуючи об'єкт декількома потоками ультразвуку з одного джерела, які створювали свого роду вихор. Про отримані результати вчені розповіли на сторінках наукового журналу Physical Review Letters, а також їм присвячена підготовлена ​​вченими відеозапис.

Нехай полуторасантіметровий кулька може не здатися по-справжньому великим об'єктом, фахівці пояснюють, що він був відправлений в політ за допомогою майже в два рази більше коротких ультразвукових хвиль. Це означає, що нова технологія дозволяє подолати важливий «бар'єр», і вчені цілком допускають, що в майбутньому за аналогічним принципом можна буде змусити левитировать навіть людину. (https://youtu.be/nFJpEsKATXE)

Втім, фахівці припускають, що в першу чергу їх технологія буде мати більш «практичні» варіанти застосування - наприклад з її допомогою можна буде переносити абсолютно стерильні або надзвичайно тендітні предмети, не торкаючись їх. При цьому відповідна налаштування не буде гучної (як якби замість ультразвуку використовувався звук чутного діапазону) і не матиме руйнівного ефекту (як інфразвук). При цьому головну проблему ультразвукових хвиль - той факт, що вони є дуже короткими - нова технологія повинна успішно вирішити.

Інфразвук — це звук, утворений інфразвуковими хвилями, частоти яких нижче границі діапазону сприймання вухами людини, тобто нижче 20 Гц.

Вони є всюди. Інфразвукові коливання в повітрі спричиняються грозами і сильними вітрами, сонячними спалахами. Бувають вони від пострілів, вибухів, обвалів, землетрусів. Щоденні промислові інфразвуки. Їх випромінюють заводські вентилятори, повітряні компресори, дизелі, усі машини, що працюють повільно. Постійне джерело цих звуків - міський транспорт. Ці хвилі дуже добре поширюються як у повітрі, так і у воді.

Є на землі місця (мілини Кольського півострова, долини річок Вилюя і Олени, узбережжя Байкалу), де великі площі рухомих пісків звучать так, що здається, ніби навколо «співає» вся пустеля. Особливо голосно піски співають на гребенях барханів і дюн. Звуки лунають найнесподіваніші: то гавкіт собаки, то дзвін натягнутої струни, то звучання органа, а то і рев авіаційних двигунів. Жителі міста Нікополя багаторазово чули звучання піску на косі річки Лапинки (один з рукавів Дніпра). Дуже добре це спів було чути в 1952 р, особливо після дощу, коли верхній шар піску злипався, а потім підсихав, утворюючи рихлу кірку. Коли по ньому йшли, він видавав звуки, схожі на свист повітря, що випускається з автомобільної камери.

Навіть порівняно великий шторм спричиняє інфразвуки потужністю в десятки кіловатів. Вони поширюються на сотні й тисячі кілометрів навколо. Відлітаючи удалину, нечутні звуки немовби попереджають усіх, що насувається буря. І таке попередження добре відчуває багато хто з мешканців моря. Медузи ще до того, як здіймається перша штормова хвиля, відпливають від берега, а морські блохи вилазять на сушу. Про наближення шторму їм сповіщає «голос моря», який вони добре чують. Є і люди, які безпомилково передбачають шторм. Море ще зовсім спокійне, а старий рибалка, вийшовши на берег, говорить, що наближається буря. Такі люди теж чують «голос моря». Потужні інфразвукові коливання повітря, принесені здалеку, приймаються ними як больові відчуття у вухах. У здорової люди цього не буває. Та люди з деякими захворюваннями, наприклад ревматизмом, відчувають «голос» близького шторму.

Під дією інфразвуку нервові імпульси порушують узгоджену роботу нервової системи, а це викликає запаморочення, нудоту, болі в животі, утруднюється дихання, виникає почуття страху, дзвін у вухах, зменшується гострота зору, а при тривалому впливі може з'явитися кашель, задуха і порушення психіки.

Коливання інфразвуку середньої інтенсивності викликає розлад травлення, порушення серцево-судинної та дихальної системи, а на психіці це може відбитися самим несподіваним чином.

Проте особливо небезпечні коливання високої інтенсивності. Через збіги частот коливань інфразвуку і внутрішніх органів можлива навіть зупинка серця або розрив кровоносних судин, інфразвук частотою 7 Гц смертельний для людського організму.

Штучно створюваний інфразвук успішно застосовується при сейсмічній розвідці корисних копалин. Для цієї мети на поверхні землі проводиться вибух, який є джерелом інфразвукових хвиль. Ці хвилі, поширюючись в глиб земної кори, відбиваються від межі середовищ з різною щільністю (наприклад, від вугільного пласта) і повертаються на поверхню, де вони сприймаються і реєструються прийомним пристроєм. Цей спосіб широко застосовується в геології.

У нормі інфразвук створюється і під водою. В океанських глибинах він з'являється через землетруси, а на поверхні через сплесків хвиль або вітру. Цікаво те, що ці дві звукові хвилі ніколи не перетинаються. Інфразвук не може виходити з води в повітря, рівно також як і не здатний з повітря занурюватися в океанську імлу, і це виявилося на руку океанологам. За допомогою інфразвуку вони стали вимірювати температуру морських течій. За допомогою інфразвуку можна виміряти температуру води в океані, причому не на окремій ділянці, а всю середню температуру на великих дистанціях.

При роботі механізмів зазори між спряженими деталями з часом змінюються. Якщо величина їх перевищить допустиме значення, то виникають додаткові вібрації з дозвуковий частотою, які свідчать про несправності даного з’єднання або про вихід його з ладу. Використовуючи спеціальні інфразвукові прилади, можна заздалегідь визначити ступінь зносу деталей машин і тим самим попередити їх руйнування до появи чутних стуків. Досліджуючи вібрації, що протікають з дозвуковий частотою під час випробування нових машин і спорудження, можна заздалегідь вжити заходів для їх усунення в серійному або масовому виробництві.

Захист від шкідливого впливу ультра-та інфразвуку

Як бачимо, різна природа ультразвуку та інфразвуку по-різному впливає на людський організм. Найефективнішим і, можливо, єдиним засобом боротьби з негативним впливом цих природних явищ на людину є зниження їх в джерелі. Вибираючи конструкції, краще зупинятися на малогабаритних машинах більшої жорсткості, тому що конструкції з більшою поверхнею і меншою жорсткістю створюють всі умови для генерації.

Але повністю виключити ці явища з нашого життя неможливо. Ми всі вже не уявляємо свого життя без комп'ютера - джерела ультразвуку та автомобіля - поєднання інфра- та ультразвуку. Тому треба більше знати про техніку, якою ми оточуємо себе.