звук # 151; фізичне явище, що представляє собою поширення у вигляді пружних хвиль механічних коливань у твердій, рідкому або газоподібному середовищі. У вузькому сенсі під звуком мають на увазі ці коливання, що розглядаються в зв'язку з тим, як вони сприймаються органами чуття тварин і людини.
Звичайна людина здатна чути звукові коливання в діапазоні частот від 16 # 151; 20 Гц до 15 # 151; 20 кГц. Звук нижче діапазону чутності людини називають інфразвуком; вище: до 1 ГГц, # 151; ультразвуком, від 1 ГГц # 151; гіперзвуком. Гучність звуку складним чином залежить від ефективного звукового тиску, частоти і форми коливань, а висота звуку # 151; не тільки від частоти, а й від величини звукового давленія.Как і будь-яка хвиля, звук характеризується амплітудою і спектром частот.Процесс поширення звуку так само є волну.Впервие це припущення зробив знаменитий англійський вчений Ісак Ньютон.
1 Історична довідка
Перші спостереження за акустикою були проведені в VI столітті до нашої ери. Піфагор встановив зв'язок між висотою тону і довжиною струни або труби видавати звуки. У IV ст. до н.е. Аристотель перший правильно уявив, як поширюється звук в повітрі. Він сказав, чт про звучить тіло викликає стискання і розрідження повітря і пояснив луну відбиттям звуку від перешкод. У XV столітті Леонардо да Вінчі сформулював принцип незалежності звукових хвиль від різних джерел.
За тим, Ньютон, грунтуючись цих експериментальних роботах Саверіо, дав перший розрахунок довжини хвилі звуку і прийшов до висновку, добре відомому зараз у фізиці, що для будь-якої відкритої труби довжина хвилі випускається звуку дорівнює подвоєною довжині труби. "І в цьому полягають найголовніші звукові явища" Після експериментальних досліджень Саверіо до математичного розгляду задачі про що хитається струні в 1715 році приступив англійський математик Брук Тейлор, поклавши цим початок математичної фізики у власному розумінні слова.Ему вдалося розрахувати залежність числа коливань струни від її довжини, ваги, натягу та місцевого значення прискорення сили тяжіння.
Фактичне пояснення луни, явища досить примхливого, також належить Хладни, по крайней мере в істотних частинах. Йому ми зобов'язані і новим експериментальним визначенням верхньої межі чутності звуку, що відповідає 20 000 коливань в секунду. Ці виміри, неодноразово повторені фізиками до сих пір, вельми суб'єктивні і залежать від інтенсивності і характеру звуку. Але особливо відомі досліди Хладні в 1787 році за дослідження коливань пластин, при яких утворюються красиві "акустичні фігури", що носять назви фігур Хладні і виходять, якщо посипати коливається платівку піском. Ці експериментальні дослідження поставили нове завдання математичної фізики - задачу про коливання мембрани.
У XVIII столітті було досліджено багато інших акустичних явищ (швидкість поширення звуку в твердих тілах і в газах, резонанс, комбінаційні тони і ін.). Всі вони пояснювалися рухом частин тіла, що коливається і частинок середовища, в якій поширюється звук. Іншими словами, всі акустичні явища пояснювалися як механічні процеси.
У 1787 році Хладни, основоположник експериментальної акустики відкрив поздовжні коливання струн, пластин, камертонів і дзвонів. Він перший досить точно виміряв швидкість поширення звукових хвиль в різних газах. Довів, що в твердих тілах звук поширюється не миттєво, а з кінцевою швидкістю, і в 1796 році визначив швидкість звукових хвиль в твердих тілах по відношенню звуку в повітрі. Він винайшов ряд музичних інструментів. У 1802 році вийшла праця Ернеста Хладни "Акустика", де він дав систематичний виклад акустики.
Після Хладни французький учений Жан Батист Біо в 1809 році вимірював швидкість звуку в твердих тілах.
У 1800 році англійський учений Томас Юнг відкрив явище інтерференції звуку і встановив принцип суперпозиції хвиль.
У 1816 році французький фізик П'єр Симон Лаплас вивів формулу для швидкості звуку в газах. У 1842 році австрійський фізик Християн Доплер припустив вплив відносного руху на висоту тону (ефект Доплера).
ефект Доплера # 151; зміна частоти і довжини хвиль, що реєструються приймачем, викликане рухом їх джерела і / або рухом приймача. Ефект названий на честь австрійського фізика К. Доплера.
А в 1845 році Бейс-Баллот експериментально виявив ефект Доплера для акустичних хвиль.
У 1877 році американський учений Томас Алва Едісон винайшов пристрій для запису і відтворення звуку, який потім сам же в 1889 році удосконалив. Винайдений ним спосіб звукозапису отримав назву механічного. У 1880 році французькі вчені брати П'єр і Поль Кюрі зробили відкриття, яке виявилося дуже важливим для акустики. Вони виявили, що, якщо кристал кварцу стиснути з двох сторін, то на гранях кристала з'являються електричні заряди. Це властивість - п'єзоелектричний ефект для виявлення не чутного людиною ультразвуку. І навпаки, якщо до граней кристала прикласти змінна електрична напруга то він почне коливатися, стискаючись і розширюючись.
2 Характеристика звуку
гучність # 151; це рівень потужності, яка пропорційна амплітуді звукового сигналу. Гучність звуку вимірюється в децибелах і позначається дБ. Одиниця виміру, названа на честь Олександра Грема Белла. Рівні звукового тиску, характерні для різних джерел:
Пістолетний постріл на відстані кількох кроків - 140 дБ.
Больовий поріг - 130 дБ.
Реактивний двигун (в салоні літака) - 80 дБ.
Неголосний розмова - 70 дБ.
Шерех в тихій кімнаті - 40 дБ.
Шуми в студії звукозапису - 30 дБ.
Поріг чутності - 0 дБ.
Частота (висота) # 150; кількість повних коливань за одиницю часу (одиниця виміру # 150; Герц). Чим вище частота, тим вище звучання.
тембр # 150; це звук, в якому присутні коливання різних наборів частот і амплітуд. Основний тон визначає висоту звуку, обертони, накладаючись в певних співвідношеннях, додають звуку специфічне забарвлення # 150; тембр.
Можна сказати, що тембр визначається величиною амплітуд окремих гармонік (тобто залежить від числа вищих гармонік і відносини їх амплітуд до амплітуди основної гармоніки і не залежить від фаз вищих гармонік). Тривалість (тривалість) # 150; час, за яке звук з ясно чутного переходить в абсолютну тишу.
ультразвук # 151; звукові хвилі, що мають частоту вище більш прийнятною людським вухом, зазвичай, під ультразвуком розуміють частоти вище 20 000 Герц.
Хоча про існування ультразвука відомо давно, його практичне використання досить молодо. У наш час ультразвук широко застосовується в різних фізичних і технологічних методах. Так, за швидкістю поширення звуку в середовищі судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з досить малими похибками визначати, наприклад, адіабатичні характеристики бистропротекающих процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні твердих тіл.
Частота ультразвукових коливань, що застосовуються в промисловості і біології, лежить в діапазоні від декількох десятків КГц до одиниць МГц. Високочастотні коливання зазвичай створюють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів, наприклад, з титаніту барію. У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку все ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
У природі УЗ зустрічається як в якості компонентів багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, в звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. Д.), Так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі і спілкування (кити, дельфіни, кажани, гризуни, долгопяти).
Випромінювачів ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку # 151; струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів # 151; електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.
4 Застосування ультразвуку
4.1 Ультразвук в природі
Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом (Кожанова # 151; Vespertilionidae) або мають форму параболічного дзеркала носовою отвором (підковоніс # 151; Rhinolophidae) сигнали надзвичайно високої інтенсивності. На відстані 1 # 151; 5 см від голови тварини тиск ультразвуку досягає 60 мбар, тобто відповідає в чутної нами частотній області тиску звуку, створюваного відбійним молотком. Відлуння своїх сигналів кажани здатні сприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж у випускаються сигналів. При цьому кажани можуть обходити при польоті перешкоди навіть у тому випадку, коли на ехолокаційні сигнали накладаються ультразвукові перешкоди з тиском 20 мбар. Механізм цієї високої завадостійкості ще невідомий. При локалізації кажанами предметів, наприклад, вертикально натягнутих ниток з діаметром всього 0,005 # 151; 0,008 мм на відстані 20см (половина розмаху крил), вирішальну роль відіграють зрушення в часі і різниця в інтенсивності між випускаються і відбитим сигналами. Підковоноси можуть орієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноаурально), що істотно полегшується великими безперервно рухаються вушними раковинами. Вони здатні компенсувати навіть частотний зсув між випускаються і відбитими сигналами, обумовлений ефектом Доплера (при наближенні до предмета луна є більш високочастотним, ніж посилається сигнал). Знижуючи під час польоту ехолокаційному частоту таким чином, щоб частота відбитого ультразвуку залишалася в області максимальної чутливості їх «слухових» центрів, вони можуть визначити швидкість власного переміщення.
У нічних метеликів з сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, «збиває зі сліду» кажанів, які переслідують цих комах.
Ехолокацію використовують для навігації і птиці # 151; жирні дрімлюги, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки # 151; від Панами на північно-заході до Перу на півдні і Сурінаму на сході. Живучи в непроглядній пітьмі, жирні дрімлюги, проте, пристосувалися віртуозно літати по печерах. Вони видають неголосні клацають звуки, які сприймаються і людським вухом (їх частота приблизно 7 000 герц). Кожне клацання триває одну-дві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стін підземелля, різних виступів і перешкод і сприймається чуйним слухом птиці.
Ультразвуковий ехолокацією в воді користуються китоподібні.
4.2 Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)
Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості в порівнянні з рентгенівськими променями і простотою використання в порівнянні з магнітно-резонансною томографією, ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевній порожнині і порожнині тазу.
Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині
Крім широкого використання в діагностичних цілях, ультразвук застосовується в медицині (в тому числі регенеративної) в якості інструменту лікування.
Ультразвук має наступні ефектами:
протизапальну, розсмоктуючу діями;
анальгезирующим, спазмолітичну діями;
кавітаційним посиленням проникності шкіри.
фонофорез # 151; комбінований метод лікування, при якому на тканини замість звичайного гелю для ультразвукової емісії (застосовуваного, наприклад, при УЗД) наноситься лікувальну речовину (як медикаменти, так і речовини природного походження). Передбачається, що ультразвук допомагає лікувальному речовині глибше проникати в тканини.
4.3 Застосування ультразвуку в косметології
Багатофункціональні косметологічні апарати, що генерують ультразвукові коливання з частотою 1 МГц, застосовуються для регенерації клітин шкіри і стимуляції в них метаболізму. За допомогою ультразвуку проводиться мікромасаж клітин, поліпшується мікроциркуляція крові і лімфодренаж. В результаті підвищується тонус шкіри, підшкірних тканин і м'язів. Ультразвуковий масаж сприяє виділенню біологічних активних речовин, ліквідує спазм в м'язах, в результаті чого розгладжуються зморшки, підтягуються тканини обличчя і тіла. За допомогою ультразвуку здійснюється найбільш глибоке введення косметичних засобів і препаратів, а також виводяться токсини і очищаються клітини.
4.4 Різання металу за допомогою ультразвуку
На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото цілком замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше фрезерного верстата і обробляти їм металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом.
Ультразвуком можна навіть робити гвинтову нарізку в металевих деталях, в склі, в рубін, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім вже деталь піддають загартуванню. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити в уже загартованому металі і в самих твердих сплавах. Те ж і з штампами. Зазвичай штамп загартовують вже після його ретельної обробки. На ультразвуковому верстаті складну обробку виробляє абразив (наждак, корундовий порошок) в поле ультразвукової хвилі. Безперервно вагаючись в поле ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблюваний сплав і вирізують отвір такої ж форми, як і у долота.
4.5 Приготування сумішей за допомогою ультразвуку
Широко застосовується ультразвук для приготування однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві незмішувані рідини (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурки і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурки утворюється емульсія, тобто дрібна суспензія масла у воді. Подібні емульсії відіграють велику роль в сучасній промисловості, це: лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.
4.6 Застосування ультразвуку в біології
Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування в біологічних дослідженнях, наприклад, при необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії і хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їх структурою і функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій грає велику роль в селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.
4.7 Застосування ультразвуку для очищення
Застосування ультразвуку для механічного очищення грунтується на виникненні під його впливом в рідини різних нелінійних ефектів. До них відноситься кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль відіграє кавітація. Її бульбашки, виникаючи і схлопиваясь поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Використовуваний для цих цілей ультразвук має низьку частоту і підвищену потужність.
У лабораторних і виробничих умовах для миття дрібних деталей і посуду застосовуються ультразвукові ванни заполонений розчинником (вода, спирт і т. П.). Іноді з їх допомогою від частинок землі миють навіть коренеплоди (картопля, морква, буряк і ін.).
У побуті, для прання текстильних виробів, використовують спеціальні, що випромінюють ультразвук пристрої, що поміщаються в окрему ємність.
4.8 Застосування ультразвуку в ехолокації
У рибної промисловості застосовують ультразвукову ехолокацію для виявлення косяків риб. Ультразвукові хвилі відбиваються від косяків риб і приходять в приймач ультразвука раніше, ніж ультразвукова хвиля, що відбилася від дна.
В автомобілях застосовуються ультразвукові парктроніки.
Застосування ультразвуку в витратометрії
Для контролю витрат і обліку води та теплоносія з 1960-х років в промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.
4.9 Застосування ультразвуку в дефектоскопії
Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів з цих матеріалів. Останнім часом набуває розвиток напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.
4.10 Ультразвукове зварювання
Ультразвукове зварювання # 151; зварювання тиском, що здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрівання яких утруднений, при з'єднанні різнорідних металів, металів з міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі стали, магнітопроводи з пермаллоя і т. П.), При виробництві інтегральних мікросхем.
Вплив звуку на пісок