От 0 до 16 Гц – инфразвуки (ИЗ)

Приёмник звука

Источники звука  бывают естественными (голосовые связки человека, животных, крылышки насекомых, плавательный пузырь у рыб и др.) и искусственными (камертон, струны, трубы, свистки, сирены и др.)

Приемники звука  тоже бывают естественными (орган слуха человека и животных) и искусственными (телефоны, гидрофоны и т.д.)

Упругая среда может быть твердой, жидкой, газообразной. В вакууме звук не распространяется.

Звуковые волны бывают поперечными и продольными.

В поперечной волне частицы упругой среды колеблются перпендикулярно (т.е. поперек) направлению распространения волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения.

В твердых телах распространяются как те, так и другие волны, в жидкостях и газах только продольные.

Длина волны – это расстояние, которое волна проходит за время, равное периоду колебаний. Длина волны:

 или , где

- скорость звуковой волны.

Практически длину волны можно определять как расстояние между соседними максимумами.

Скорость звука зависит от упругих свойств среды,  плотности, температуры и давления.

Например, скорость звука в воздухе при 25 =331м/с, в воде =1500м/с, в костях . Мягкие ткани живых организмов содержит много воды, поэтому скорость звука в мягких тканях порядка 1500м/с.

При переходе звуковой волны из одной среды в другую частота колебаний  не изменяется. В зависимости от частоты, которая измеряется в Герцах, принята такая классификация звуков:

от 0 до 16 Гц – инфразвуки (ИЗ)

от 16 Гц до 20000 Гц – слышимые (человеком) звуки;

от 20000 Гц до Гц – ультразвуки (УЗ) ;

от 10⁹ до 10¹³ Гц – гиперзвуки (ГЗ)

Для человека ,,инфра“, ,,ультра“, и ,,гипер“ – неслышимые звуки.

А животные существуют и общаются в мире этих звуков.

Упругая среда, в которой распространяются звуковые волны, называется акустическим полем. Характеристики акустического поля: удельное акустическое сопротивление R и акустическое давление .

,             Единица измерения 1

          Единица измерения 1Па

Здесь амплитуда колебаний точки упругой среды;

              - циклическая частота; - плотность среды

Звуковая энергия, падающая на единицу площади S в единицу времени, называетсяинтенсивностью звука .

                                             , а также                          

Единица интенсивности в СИ 1Вт/м²

Восприятие звуков – явление субъективное.

Объективной характеристике звука - частоте, соответствует субъективная характеристика – высота тона. Комариный писк имеет частоту 10000 Гц, мычание быка – 50Гц.

Интенсивности звука соответствует субъективная характеристика – громкость. Громкие и тихие звуки по-разному влияют на живые организмы. От очень громких звуков могут сокращаться удои молока, уменьшаться яйценоскость кур, понижаться прибавка в весе животных. Громкие звуки подавляют. Отсутствие звуков тоже негативно действует на психику.

 Звуки, состоящие из всевозможных частот, называют шумами. Шумы измеряют приборами – шумомерами.

Наименьшую интенсивность звука, которую способен воспринимать человек, называют порогом слышимости ^.

Наибольшую, которая еще не повреждает слух, -болевым порогом .

Сравним их:                             ,

т.е. болевой порог больше порога слышимости в раз. Это очень большое, неудобное число. Поэтому для характеристики используют логарифмы и вводят понятие уровень интенсивности звука L.

Если интенсивность звука I больше порога слышимости  в 10 раз, то уровень интенсивности равен 1 Белу.

Бел Сокращение 1Б.

На практике уровень интенсивности чаще измеряют в децибелах.

1Б = 10 дБ. В децибелах формула уровня интенсивности:

Для нормальной умственной деятельности человека уровень интенсивности должен быть не выше 30 дБ. В учреждении допустимо 55 дБ. На птицефабриках 90 дБ. Уровень интенсивности 130-140 дБ вызывает боль в ушах и повреждение слуха. Изменение уровня интенсивности определяет закон Вебера – Фехнера:

, где

 и  - интенсивности до и после изменения.

При попадании звука на границу двух сред он отражается, преломляется, поглощается. Коэффициент отражения звука r определяют по формуле Рэлея:

, где

 и - плотности граничащих сред;

 и  - скорости звука в этих средах.

 - Удельное акустическое сопротивление среды.

С учетом этого формула Рэлея имеет вид:

Если удельное акустическое сопротивление одной среды много больше, чем другой, то звук будет полностью отражаться (r=1). Если удельные акустические сопротивления близки по величине, то звук проходит из одной среды в другую (r=0).

Из-за поглощения интенсивность звука в однородной среде изменяется в зависимости от расстояния х по формуле:

,

где x - расстояние от источника звука;

- коэффициент поглощения звука.

Коэффициент поглощения звука биологическими тканями в 1000 раз больше, чем водой так же и за счет отражения неоднородностями тканей.

В разных областях науки, техники, медицины большое применение нашли ультразвуковые колебания. Для получения ультразвука используют пьезокварцевые генераторы, работа которых основана на обратном пьезоэффекте. Существуют такие кристаллы (кварц, турмалин), которые поляризуются при механической деформации. Если на такой кристалл воздействовать переменной силой, то на поверхностях его появляются связанные электрические заряды, знак которых изменяется в соответствии с частотой механического воздействия. Это прямой пьезоэффект. Его используют в приёмниках ультразвука. А если на тот же кристалл подавать переменное электрическое напряжение, то грани кристалла будут вибрировать, испуская ультразвуки (обратный пьезоэффект). Один и тот же кристалл может быть излучателем и приемником ультразвука.

В воздухе высокочастотный ультразвук затухает. Поэтому при ультразвуковых исследованиях (УЗИ) необходима контактная смазка в виде (глицерина, вазелина), чтобы ультразвук проник в исследуемый орган.

Ультразвуки применяют в гидролокации для обнаружения айсбергов, кораблей, косяков рыб, для исследования рельефа морского дна.

В металловедении - для исследования отливок с целью обнаружения дефектов. Ультразвук способен ускорять химические реакции, очищать котлы от накипи, очищать питьевую воду, задерживать свертывание молока и т.д.

В медицине ультразвук используют для диагностики работы органов человека и животных. Например, исследуют состояние кровеносных сосудов и сердца, используя эффект Доплера. Суть его в следующем: если мимо неподвижного наблюдателя будет двигаться со скоростью V источник звука, частота которого , то наблюдатель будет воспринимать другую частоту (частоту Доплера) :

;

Знак ,,минус“ для приближения, ,,плюс“ для удаления.

 - скорость излучаемого звука.

То есть, если источник звука приближается, то наблюдателю звук кажется выше, а если удаляется, то ниже.

Частота Доплера при отражении от движущегося объекта:

, где

 - угол падения звука на движущуюся поверхность.

Такой движущейся поверхностью в кровеносной системе является поверхность эритроцитов. Исследуя скорость эритроцитов, делают вывод о расширении или сужении сосудов при наличии аневризмы или холестериновых бляшек.

Ультразвук применяют в терапии для лечения воспалительных процессов (маститы коров), в хирургии для рассечения тканей и для сваривания швов, для удаления опухолей в головном мозге без трепанации черепа, для дробления камней в урологии и др.

Контрольные вопросы:

1. Напишите уравнение свободных незатухающих гармонических колебаний и объясните все величины.

2. Назовите условия для возникновения и распространения звуковых колебаний. Назовите источники и приёмники звука.

3. Какие звуковые волны называют поперечными, а какие – продольными? В каких средах они распространяются? Примеры.

4. От чего зависит скорость звука? Приведите примеры.

5. Как длина звуковой волны связана со скоростью звука и частотой?

6. Классификация звуковых волн по частоте.

7. Что называют акустическим полем и каковы его характеристики? (формулы)

8. Субъективные характеристики звука. Воздействие звука на живые организмы.

9. Понятия ,,интенсивность звука“, ,,уровень интенсивности“, единицы их измерения. Закон Вебера - Фехнера.

10. Отражение звука. Формула Рэлея. Объясните все величины.

11. Принцип получения ультразвука. Прямой и обратный пьезоэффект.

12. Объясните суть эффекта Доплера.

13. Где применяется ультразвук?