Звуковые волны инфразвук и ультразвук. Ультра- и инфразвук и их использование

Среди звуковых волн есть такие, которые ухо человека не воспринимает. Это инфразвук и ультразвук. В природе они распространены так же широко, как и слышимый звук.

Звуки, которые мы слышим, находятся в диапазоне 16-20 000 Гц. Все звуковые волны, частота которых ниже 16 Гц, называются инфразвуком . А звуки с частотой выше 20 000 Гц считаются ультразвуком .

Инфразвук

Верхней границей инфразвукового диапазона считают частоту 16 Гц. А за нижнюю условно принята частота 0,001 Гц.

Природными источниками инфразвука могут быть извержения вулканов, грозовые разряды, землетрясения, сильный ветер во время ураганов и бурь и т.д. Издают инфразвук киты и слоны.

Техногенные источники - выстрелы крупных орудий, подводные, подземные и наземные взрывы, работающие двигатели реактивных самолётов, тяжёлые станки, турбины, судовые двигатели и др.

Все закономерности, характерные для слышимого звука, справедливы и для инфразвука. Но так как частота его колебаний мала, ему присущи свои особенности.

При равной мощности инфразвук имеет гораздо большую амплитуду, чем слышимый звук.

Инфразвуковая волна плохо поглощается средой, поэтому она способна распространяться в атмосфере, воде, земной коре на очень большие расстояния. Улавливая инфразвук специальными приборами, можно очень точно определить эпицентр сильного взрыва, землетрясения, предсказать появление цунами. В воде инфразвук можно обнаружить за сотни километров. Поэтому рыбаки используют его для поиска косяков рыбы.

Имея большую длину волны, инфразвук легко огибает препятствия, которые задерживают обычный звук. Бороться с ним очень трудно. На него не действуют различные звуковые поглотители, звуковые изоляторы. Он легко проникает в помещения.

Вследствие резонанса он вызывает вибрацию крупных объектов. На уроках физики часто рассказывают историю о том, как рухнул мост, по которому в ногу шагала рота солдат. Частота их шагов была равна примерно 1 Гц. И они попали в резонанс с частотой колебаний самого моста.

Инфразвуковые волны способны оказывать негативное воздействие на организм человека. Наши органы работают с низкой частотой. Частота колебаний сердца примерно 1 Гц, лёгких - 0,3-0,5 Гц. Инфразвук может вызвать резонанс сердца, мозга, желудка и печени, эндокринной системы, вестибулярного аппарата. Возбуждающее действие рок-музыки на наш организм также объясняется резонансным влиянием имеющихся в ней низких частот барабанов, бас-гитар и др.

Человек не воспринимает инфразвук. Но его хорошо ощущают животные. Кошки уходят из дома перед землетрясением, птицы перестают петь перед грозой, медузы перед штормом уходят подальше в море. Не оттого ли крысы бегут с тонущего корабля, потому что чувствуют, как корабль входит в резонанс с частотой штормящего моря? Возможно, и суда, найденные в районе Бермудского треугольника, были покинуты экипажем под воздействием инфразвука, образовавшегося в море.

Ультразвук

Как и инфразвук, ультразвук также находится за пределами слышимости человека. По физической природе он ничем не отличается от звука. Но из-за большой частоты и, следовательно, малой длины волны он обладает особыми свойствами.

Подобно свету, ультразвук способен образовывать строго направленные пучки. Как и пучки света, они отражаются и преломляются на границе раздела двух сред. Этот процесс подчиняется законам геометрической оптики. С помощью вогнутых зеркал ультразвуковые волны можно направлять в заданном направлении.

Ультразвуковые волны быстро затухают в газах. А жидкости и твёрдые тела, наоборот, хорошие проводники ультразвука.

Чем выше частота ультразвука, тем больше его интенсивность. Поэтому твёрдые тела, на которые он воздействует, быстро нагреваются. В жидкостях образуются мельчайшие пузырьки с кратковременным возрастанием давления до сотен и даже тысяч атмосфер. Это явление называют кавитацией .

Ультразвуковое излучение влияет на растворимость веществ и на ход химических реакций.

В природе ультразвук встречается в естественных шумах ветра, дождя, водопада, звуков раската грома. Ультразвуковые волны способны излучать дельфины, киты, грызуны и летучие мыши. Дельфины уверенно ориентируются даже в мутной воде, посылая ультразвуковые сигналы и принимая отражённый от препятствий сигнал. Летучие мыши плохо видят. С помощью посылаемых ими ультразвуков они ориентируются в полёте и ловят добычу. Некоторые виды жуков и ночных бабочек могут воспринимать ультразвук, издаваемый летучими мышами. Услышав его, они тут же падают вниз и замирают.

Излучатели ультразвука можно разделить на 2 группы: механические и электромеханические.

Механические излучатели - камертоны, сирены, воздушные и жидкостные свистки. Они используются, в основном, в устройствах сигнализации.

Электромеханические излучатели преобразуют электрические колебания в механические колебания твёрдого тела, которое излучает звуковые волны в окружающую среду.

Приборы с источником ультразвука устанавливают на кораблях и подводных лодках. С их помощью можно определять глубину, искать подводные лодки, осуществлять торпедные атаки без перископа.

Ультразвуком исследуют металлические детали после отливки на предмет наличия в них трещин, делают пайку алюминиевых изделий. Поверхность алюминия всегда покрыта плотным слоем оксидной плёнки, разрушить которую невозможно обычным паяльником. А ультразвуковому паяльнику это оказалось под силу. Он не только нагревается, но и является источником колебаний частотой 20 кГц.

Если обработать ультразвуком две помещённые в одну ёмкость жидкости, которые при обычных условиях смешать невозможно, то они образуют эмульсию. Таким способом в современной промышленности получают лаки, краски, фармацевтические изделия, косметику.

Наиболее широко ультразвук применяют в медицине. Он помогает восстанавливать ткани и затягивать раны. Даже трудно поддающиеся лечению трофические язвы заживают после лечения ультразвуком. С его помощью быстрее рассасываются отёки и срастаются переломы. Он способен оказывать обезболивающее и спазмолитическое действие. Специальным ультразвуковым ножом проводят современные операции на внутренних органах.

Под действием ультразвука погибают микробы. Поэтому им обрабатывают находящиеся в моющем растворе медицинские инструменты. Это позволяет сократить время их дезинфекции, а также удалить возбудителей инфекции даже из очень маленьких и глубоко расположенных отверстий.

Невозможно представить без ультразвука современную диагностику. Ультразвуковое исследование позволяет получить информацию о состоянии органов и тканей организма, а также рассмотреть потоки в сосудах.

Ультразвук - это звук, у которого частота выше верхнего предела слышимости для нормального человеческого уха. Ультразвуковые устройства работают с частотой от $20$ кГц до нескольких гигагерц.

Рисунок 1. Частотные диапазоны

Ультразвук в живой природе

Летучие мыши используют высокую частоту (малая длина волны) ультразвуковых волн для того, чтобы повысить их способность охотиться. Типичной жертвой летучей мыши является моль - объект не намного больше, чем сама летучая мышь. Летучие мыши используют ультразвуковые методы эхолокации, чтобы обнаружить своих сородичей в воздухе.

Рисунок 2. Летучие мыши используют ультразвук для навигации в темноте

Но почему ультразвук? Ответ на этот вопрос лежит в физике дифракции. Так как длина волны становится меньше, чем препятствие, с которым она сталкивается, волна уже не в состоянии рассеиваться вокруг него, и вследствие чего отражается. Летучие мыши используют ультразвуковые волны с длинами волн, меньшими, чем размеры их добычи. Эти звуковые волны будут сталкиваться с добычей, и вместо того, чтобы дифрагироваться вокруг добычи, они будут отражаться от добычи, что позволить мыши охотиться с помощью эхолокации.

Собаки с нормальным слухом могут слышать ультразвук.

Зубатые киты, включая дельфинов, могут слышать ультразвук и использовать такие звуки в их навигационной системе (биосонаре).

Способы получения ультразвука

1. Механический способ - вибрационные системы (струны, эластичные пластины, трубы).
2. Термический способ - от электрических разрядов в жидкостях и газах, путем постоянного повышения температуры или импульсного тока.
3. Оптический способ - лазер может производить упругие волны в широком диапазоне ультразвуковых частот.

Инфразвук

Определение 1

Инфразвук - звуковые волны, которые человеческое ухо не способно услышать, потому что их частота слишком мала.

Рисунок 3. Ветряные электростанции производят инфразвук

Инфразвук характеризуется способностью преодолевать большие расстояния и способность обходить препятствия, а также имеет очень большую длину волны - свыше $17$ м.

Природными источниками инфразвука являются: бури, волны, лавины, землетрясения, вулканы, водопады, молнии.

Воздействие инфразвуком

Инфразвуковые частоты измеряются от $0,1$ до $20$ Гц. Инфразвук, или звуковые частоты ниже $20$ Гц, ухо не воспринимает.

Замечание 1

Исследования о воздействии инфразвука в основном проводятся на животных, поэтому не в полной мере можно понимать влияние инфразвука на организм человека. Многие исследования показывают, что при воздействии высоких уровней инфразвука могут возникнуть: ощущение давления в ушах, дискомфорт, чрезмерная утомляемость, сонливость и даже апатия и депрессия. Исследования на животных показали, что инфразвук с очень высокой интенсивностью воздействия может привести к серьезному повреждению структуры уха. Тем не менее, нет никаких достоверных исследований указывающих на вред источников инфразвука в повседневной жизни. Только воздействие очень высоких частот этого типа звука может быть опасно для вашего здоровья. Результаты предыдущих исследований в этой области являются неоднозначными, а чувствительность индивидуальна для каждого человека.

Животные, как известно, воспринимают инфразвуковые волны, проходящие, через землю в результате стихийных бедствий и могут использовать их в качестве предупреждения. Недавним примером этого явления является землетрясение и цунами в Индийском океане $2004$. Животные начали бежать фактически перед цунами у берегов Азии. Не известно наверняка, было ли это точной причиной, но некоторые полагают, что это, возможно, было влияние электромагнитной волны, а не инфразвуковых волн, которые побудили этих животных бежать.

Пример 1

Летучая мышь летит перпендикулярно к стене со скоростью $6,0\ {м}/{с}$, издавая ультразвук частотой $v=45\ кГц$. Какие две частоты звука $v_1$ и $v_2$ слышит летучая мышь? Скорость распространения звука в воздухе $c=340\ {м}/{с}$.

По принципу Доплера частота звука, воспринимаемая наблюдателем, определяется формулой

По условию

(2) -- скорость летучей мыши.

Летучая мышь будет слышать звук и отраженный от стены. Для прямого звука из формулы (1) имеем

\ \[{{\mathbf v}}_{{\mathbf 2}}{\mathbf =}\frac{{\mathbf c}{\mathbf +}{\mathbf u}}{{\mathbf c}{\mathbf +}{\mathbf u}}{\mathbf v}{\mathbf =}{\mathbf 46},{\mathbf 6}{\mathbf \ кГц}\]

Ответ:$\ v_1=45\ кГц$, ${{\mathbf v}}_{{\mathbf 2}}{\mathbf =}{\mathbf 46},{\mathbf 6}{\mathbf \ кГц}$.

Ультразвук:

1. Что такое ультразвук;
2. Влияние ультразвука на организм человека;
3. Использование ультразвука в промышленности и хозяйстве;
4. Перспективы использования ультразвука.

Инфразвук:

1. Что такое инфразвук;
2. Влияние инфразвука на организм человека;
3. Инфразвуковые аномалии;
4. Животные, использующие инфразвук;
5. Перспективы использования инфразвука;
6. Вывод

Ультразвук

1. Что такое ультразвук?

В последнее время все более широкое распространение в производстве находят технологические процессы, основанные на использовании энергии ультразвука. Ультразвук нашел также применение в медицине. В связи с ростом единичных мощностей и скоростей различных агрегатов и машин растут уровни шума, в том числе и в ультразвуковой области частот.

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/с2) 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.

Вследствие большой частоты (малой длины волны) ультразвук обладает особыми свойствами. Так, подобно свету, ультразвуковые волны могут образовывать строго направленные пучки. Отражение и преломление этих пучков на границе двух сред подчиняется законам геометрической оптики. Он сильно поглощается газами и слабо - жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мельчайших пузырьков с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют протекание процессов диффузии.

Эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое техническое и медицинское использование. Ультразвук применяют в медицине и биологии для эхолокации, для выявления и лечения опухолей и некоторых дефектов в тканях организма, в хирургии и травматологии для рассечения мягких и костных тканей при различных операциях, для сварки сломанных костей, для разрушения клеток (ультразвук большой мощности). В ультразвуковой терапии для лечебных целей используют колебания 800-900 кГц.

2. 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.

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.

3. Использование ультразвука в промышленности и хозяйстве

Сегодня ультразвук применяется в огромном количестве отраслей. Среди них: медицина, геология, сталелитейная промышленность, военная промышленность и т.д. Чрезвычайно интенсивно ультразвук применяется в геологии, существует специальная наука – геофизика.

С помощью ультразвука геофизики находят залежи ценных ископаемых и определяют глубину их местонахождения. 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.

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 (прием, позаимствованный у ночных хищников - летучих мышей).

Также используются ультразвуковые ванны, как для дезинфекции инструментов, так и в косметических целях – массаж ступней ног, рук, лица. Очень эффективны ультразвуковые увлажнители воздуха и форсунки, а также дальномеры (во всем известных радарах скорости дорожной полиции также используются ультразвуковые импульсы).

4. Перспективы использования ультразвука

В перспективе предполагается более широкое использование ультразвуковых импульсов в косметических целях – ученые уже в ближайшем ультразвука для очистки пор, освежения, омоложения увядшей кожи – ультразвуковой пилинг. Ведутся работы по созданию ультразвукового оружия, а также разработки систем защиты от него. Предполагается более широкое использование ультразвука в бытовом хозяйстве.

Инфразвук

5. Что такое инфразвук?

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.

6. Влияние инфразвука на организм людей

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 анализаторе. 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.

Инфразвук отнюдь не является недавно открытым явлением. В действительности органистам он известен уже более 250 лет. 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. Люди, подвергшиеся воздействию инфразвука, испытывают примерно те же ощущения, что и при посещении мест, где происходили встречи с призраками.

7. 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. И, наконец, инфразвук частотой 5-7 герц 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.

8. Животные, использующие инфразвук

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. 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.

Теперь учёные намерены выяснить, обладают ли частотные спектры тигриных голосов индивидуальными особенностями, позволяющими идентифицировать животных. Это существенно облегчило бы учёт их поголовья.

Изучая поведение группы слонов в зоопарке города Портленд в штате Орегон, группа исследователей "ощутила" в воздухе необычные колебания. Используя сложную электронную систему звукоулавливания, исследователи обнаружили, что это инфразвуковые волны, которые испускают слоны. Наблюдая за слонами, живущими на свободе в Кении, исследователи с помощью той же аппаратуры зарегистрировали точно такой же вид волн. Ученые пришли к выводу, что звуки низкой частоты животные используют для связи друг с другом на расстоянии в несколько километров.

Ученые надеются в будущем, определив значение инфразвуковых сигналов, перейти к самой увлекательной стадии экспериментов – установлению с их помощью контакта со слонами.

9. Перспективы использования инфразвука

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.

10. Вывод

Выполнив данную работу - собрав, обработав и обобщив большое количество материала по данной проблеме, мы узнали много нового о природе звука. Об опасности, которую он может представлять для организма человека, и о том, насколько широко его можно использовать в хозяйстве. Наиболее интересной для нас оказалась гипотеза о природе “благоговейного ужаса”, трепета людей в храме. Очень перспективными мы считаем исследования способов коммуникации животных и, конечно использование инфразвука в целях прогнозирования места и времени будущих извержений и землетрясений.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. 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.

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.

2. Влияние инфразвука на организм человека

В конце 60-х гг. французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5-9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют ИЗ-частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из этого места.

Профессор Гавро познакомился с инфразвуками почти случайно. В одном из помещений лаборатории, где работали его сотрудники, с некоторых пор стало невозможно находиться. Достаточно было пробыть здесь два часа, чтобы почувствовать себя совсем больным: кружилась голова, наваливалась усталость, мысли путались, а то и вовсе не хотелось думать о чём-либо.

Прошёл не один день, прежде чем исследователи сообразили, где следует искать неизвестного врага. Им оказались инфразвуки большой мощности, создаваемые вентиляционной системой нового завода, построенного близ лаборатории. Частота этих волн равнялась 7 Гц. Профессор Гавро высказал предположение, что биологическое действие инфразвука проявляется, если частота волны совпадает с так называемым альфа-ритмом головного мозга.

Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Возможно, что оно связано с возбуждением резонансных колебаний в организме. Так, собственная частота нашего вестибулярного аппарата близка к 6 Гц, и многим знакомы неприятные ощущения при длительной езде в автобусе, поезде, при плавании на корабле или качании на качелях. Говорят: «Меня укачало».

При воздействии инфразвука могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазом, начинает «ломаться» горизонт, возникают проблемы с ориентацией в пространстве, приходят необъяснимые тревога и страх. Подобные же ощущения вызывают и пульсации света частотой 4-8 Гц. Ещё египетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, связывали его и с помощью зеркала пускали в глаза пульсирующий солнечный луч. Через некоторое время у пленника появлялись судороги, начинала идти пена изо рта, психика подавлялась, и он начинал отвечать на вопросы.

Сходные воздействия инфразвука и мигающего света, не считая даже повышенную громкость звука, испытывают посетители дискотек. Вполне возможно, что они не проходят бесследно, и в организме могут происходить какие-либо нежелательные и необратимые изменения.

Британские учёные продемонстрировали, что под воздействием инфразвука люди испытывают примерно те же ощущения, что и при «встречах» с призраками. Был поставлен такой эксперимент. С помощью семиметровой трубы учёным удалось подмешать к звучанию обычных музыкальных инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта слушателей (а их было 750 человек) попросили описать впечатления. «Подопытные» сообщили, что чувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже бежали мурашки, у кого-то возникало тяжёлое чувство страха.

3. Воздействие инфразвука на человека в закрытых помещения х

В основном человек сталкивается с инфразвуком каждый день, соприкасаясь с жёсткими стенками, которые ограничивают пространство его деятельности. Все типы комнат по своему можно назвать резонаторами, так самое обычное помещение по сравнению с длиной инфразвуковой волны служит резонатором для одной четвёртой волны (четверть волновой резонатор) с частотой колебания 5,5 Гц. Соответственно, человек контактирует с инфразвуковыми волнами, часто даже не замечает этого, но как бы то ни было любой контакт с раздражителем должен вызвать ответную реакцию организма. Уже было экспериментально доказано, что, находясь в разных частях комнаты, происходит разнонаправленная ответная реакция организма человека. Таким образом, зоны комнаты условно можно поделить на градиентные зоны. В первой у человека падает работоспособность, усиливается свёртываемость крови (то есть, научно выражаясь, повышается способность к гиперкоагуляции крови) и падает частота, при которой он различает звуковые импульсы и световые вспышки. Всё это связано с прямым воздействием инфразвуковых волн на стенки кровяных сосудов. С обратной стороны комнаты у людей повышена работоспособность, частота при которой различаются звуковые импульсы и световые вспышки, а так же уменьшена способность к свёртыванию крови (что весьма плохо, в случаях порезов и травм - кровь может не остановиться вовремя, что чревато большой потерей крови).

Такое пагубное воздействие инфразвуковых волн на человека сохраняется в пределах интенсивности от 80 - 120 Дб в частотах колебания 8-ми, 10-ти и 12-ти Гц.

4. Инфразвук в природе

Инфразвук - причина катастроф. Дело в том, что в Мировом океане громадные запасы метангидрата - метанового льда. Это конгломерат воды и газа, состоящий из кластеров из 32 молекул воды и 8 молекул метана. Метангидраты образуются там, где на морском дне через трещины в земной коре выделяется природный газ. Инфразвуковая волна, обладая огромной энергией, разрушает метановый лёд, и газ метан выделяется в воду. Кратеры, выделяющие метан, были обнаружены научно-исследовательским кораблём «Полярная звезда» (ФРГ) в море Лаптевых и у берегов Пакистана в 1987 г. Образующаяся при выделении метана газоводяная смесь имеет очень малую плотность, и корабль, оказавшийся в этой зоне, может внезапно утонуть. Так же и самолёт, пролетающий над таким местом, может неожиданно глубоко «провалиться» в воздушную яму и удариться о поверхность воды. Считается, что многие необъяснённые катастрофы кораблей и самолётов связаны именно с непредсказуемым выделением метана из морских глубин.

Инфразвуковые колебания в атмосфере Земли являются результатом действия многочисленных причин: галактических космических лучей, гравитационных воздействий Луны и Солнца, падений метеоритов, электромагнитных излучений и корпускулярных потоков от Солнца, а также геосферных процессов. Взаимодействие электромагнитного излучения с оптическими неоднородностями атмосферы может приводить к генерации акустических колебаний в широком диапазоне частот. Следует ожидать поэтому, что в спектре ИЗ-колебаний атмосферы должна проявляться ритмика солнечной активности. Это может обуславливать широко известную связь солнечной активности с биосферными процессами.

ИЗ-колебания в атмосфере связаны также с сейсмической активностью, причём они могут быть и внешним воздействием на подготовительные процессы, и их результатом. Связь интенсивности сейсмических процессов с солнечной активностью была обнаружена при анализе глобальной сейсмичности и 11-летних солнечных циклов. Сейчас считается, что эта связь осуществляется через циклоническую активность в атмосфере.

В результате анализа спектров инфразвука, полученных в период 1997-2000 гг., обнаружены годовые, сезонные, 27-суточные и суточные периоды колебаний. Подтверждена гипотеза о возрастании энергии инфразвука при уменьшении солнечной активности. Максимальная годовая энергия инфразвука наблюдалась в 1997 г., когда солнечная активность была в минимуме, аналогичное наблюдалось и при её кратковременных (5-10 суток) изменениях. Исследования ИЗ-спектров до и после крупных землетрясений показало их характерные изменения перед крупными землетрясениями. В результате экспериментов по наблюдению электромагнитных откликов на акустические возмущения в атмосфере, создаваемые с помощью мобильного акустического излучателя, доказана связь инфразвука с геомагнитными вариациями.

Таким образом, Солнце, межпланетная среда, атмосфера и литосфера представляют собой единую систему, и существенную роль в процессах их взаимодействия играют ИЗ-волны.

5. Применение инфразвука в медицинских целях

Инфразвуковые колебания волн это колебания малой частотой, но большое длины волны, которые способны оказывать самые разнообразные действия на организм человека. Применение такого рода низкочастотных волн может приносить как вред, так и пользу человеческому организму. Но всё же уже с конца прошлого столетия инфразвук стал применяться для лечения многих хронических заболеваний. Таким аппаратом, который стал преобразовывать инфразвуковые волны для успешного лечения инфразвуком, стал аппарат под аббревиатурным названием ИФС - 1.

Такой аппарат и на тот момент, и сейчас не имеет эффективных аналогов во всём мире. Хотя бы, потому что он способен лечить более 70 видов заболеваний. Для большей надежности этот аппарат проходил неоднократные клинические испытания. Применение этого аппарата показало в 80% случаев полное выздоровление, а в остальных значительное улучшение состояние здоровья больных. Такой метод лечения хорошо применим для тех людей, которым противопоказаны терапии ультразвуком, лазером, парафином, токами различной частоты и общепринятая терапия. Этот аппарат применяется для лечения инфразвуком и показывает высокую степень эффективности в лечении весьма широкого спектра заболеваний. Такое лечение возможно без госпитализации и применения различных медикаментозных средств. Одним из его достоинств является простота и короткий курс проведения процедуры лечения, вторым же является то, что такая процедура не входит в разряд дорогих процедур и доступна для всего слоя населения. Воздействие инфразвуком приводит к положительному воздействию на весь организм. Единственный, пожалуй, недостаток такого аппарата это противопоказания проведения процедур во время беременности, как и у большинства приборов действующих по принципу излучателей.

Принцип лечения таким прибором использующий инфразвуковые колебания заключается в том, чтобы воздействовать внешне на больной орган, в результате чего происходит активизация процесса жизнедеятельности клеток органа. Инфразвук обладает как бактерицидным, так и вирусологическим действием, которое активизирует регенеративные и репаративные процессы клеток, что в свою очередь восстанавливает работу больного органа. Таким образом, инфразвук улучшает и восстанавливает иммунную защиту всего организма и повышает сопротивляемость к разрушающим факторам. Применение этого аппарата снижает болевой синдром, а так же способствует ускоренному заживлению ран и свертыванию крови. Его воздействие может так же снимать депрессию, стабилизирует давление и нормализует вес. В настоящее время продолжается исследования способом лечения инфразвуком с помощью этого аппарата различных болезней связанных в первую очередь с возникновением новообразований. Многочисленные исследования показали, что данный аппарата может замедлить рост и распространение новообразований и злокачественных опухолей с последующей регенерацией поврежденного органа, после чего происходит восстановление функциональности организма.

Показаниями при использовании инфразвуковой терапии для лечения болезней могут служить:

1) различные воспалительные процессы внутренних органов,

2) предопухолевые заболевания,

3) различные воспалительные заболевания ЛОР органов и дыхательных путей,

4) эндокринологические заболевания,

5) заболевания опорно-двигательного аппарата,

6) заболевания сосудистой системы,

7) почечнокаменные и желудочно-каменные болезни,

8) реабилитация больных со злокачественными образованиями

Суть процедуры состоит в том, что с помощью динамического преобразования электрические колебания преобразуются в силовое физическое поле низких частот. Таким образом, на тело человека оказывает влияние низкочастотное поле. Воздействие инфразвуком приводит к восстановлению у людей утраченных функций организма, способствует восстановлению биохимических и обменных процессов, нормализации пораженного болезнью организма.

6. Ультразвук

Ультразвук - упругие волны высокой (более 20 кГц) частоты. Хотя о существовании ультразвука учёным было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.

Генерация ультразвуковых (УЗ) волн. Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. В газовой среде УЗ-волны обычно возбуждаются механическими излучателями разного рода - сиренами прерывистого действия. Мощность ультразвука - до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. УЗ-волны в жидкостях и твёрдых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

Сирена - один из видов механических УЗ-излучателей. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены имеют камеру, закрытую сверху диском (статором) с большим количеством отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают. Основная задача при изготовлении сирен - это, во-первых, увеличить число отверстий в роторе и, во-вторых, увеличить скорость его вращения. Однако совместить эти требования очень трудно.

Свисток Гальтона. Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 г. англичанин Ф. Гальтон. При пропускании под высоким давлением воздуха через маленькую цилиндрическую резонансную полость в результате удара цилиндрического поршня о губу (металлическую пластинку) в зазоре генерируется ультразвук частотой около 170 кГц (определяется размерами кольцевого сопла и губы). Мощность свистка Гальтона невелика, его в основном применяют для подачи команд при дрессировке собак.

7. Применение ультразвука в медицинских целях

Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет, но до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме его воздействия на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый микромассажем.

Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.

Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей мозга и постановки диагноза.

Акушерство - область медицины, где эхоимпульсные УЗ-методы наиболее прочно укоренились, как, например, ультразвуковое исследование (УЗИ) движения плода, которое недавно прочно вошло в практику. Сейчас происходит накопление информации по движению конечностей плода, псевдодыханию, по динамике сердца и сосудов. Пока исследуются физиология и развитие плода, а до обнаружения аномалий пока ещё далеко.

Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологий и аномалий его структур в случае непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Область позади глаза - орбита - доступна обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов исследования патологий этой области.

Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных сосудов. Это связано с возможностью быстрого получения пространственной информации, а также возможностью её объединения с томографической визуализацией.

Терапия и хирургия. Давно известно, что УЗ-излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил его повреждающее действие на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что УЗ-волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь недавно стал намечаться научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии УЗ-излучения с биологической средой. Терапевтический ультразвук можно разделить на ультразвук низких и высоких интенсивностей - соответственно неповреждающий нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты) и стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений (физиотерапия и некоторые виды терапии рака). При более высоких интенсивностях основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях (хирургия). Электронная аппаратура используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком.

Оценка безопасности применения ультразвука в медицине. Пока невозможно выделить один или даже несколько физических параметров, которые служили бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих предсказать конечный биологический эффект. И всё же полезно выдвинуть некоторые критерии для правильного применения ультразвука:

1. Оператор должен использовать минимальные интенсивности и экспозиции, позволяющие получить у пациента желаемый клинический эффект.

2. Обслуживающий персонал не должен облучаться без необходимости.

3. Все процедуры должны выполняться хорошо обученным персоналом или под его руководством.

8. Технологии и приборы, осно ванные на свойствах ультразвука

Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление в волне обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения косяков рыбы или других подводных объектов. Одна из первых практических УЗ-систем обнаружения подводных лодок появилась в конце Первой мировой войны.

Ультразвуковой расходомер. Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается со скоростью потока, то вычитается из неё. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, в итоге вычисляется скорость потока, а по ней - и массовая скорость (расход). Этот измеритель может применяться как в замкнутом контуре (например, для исследований кровотока в аорте или охлаждающей жидкости в атомном реакторе), так и в открытом (например, реки).

Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств этой среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую УЗ-химией. Она исследует и стимулирует такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, диполимеризация, ускорение реакций.

УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами в металлических расплавах, и разрушает оксидную плёнку алюминия, и позволяет производить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей из очень твёрдых и хрупких материалов, как, например, стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая сталь. В промышленности также используется большой ассортимент оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенцев с малогабаритных деталей.

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей . Ещё в 1927 г. американские учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и облучить ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, т.е. мелкая взвесь масла в воде. Это широко используется в промышленности для изготовления лаков, красок, фармацевтических изделий, косметики.

9. Влияние у льтразвука на организм человека

Работа ультразвукового оборудования и аппаратуры сопровождается распространением в окружающей среде как ультразвуковых, так и звуковых колебаний. Появление звуковых колебаний объясняется. генерированием ультразвуковых колебаний в производственной обстановке в звуковые колебания с частотой слышимого высокочастотного звука.

Общий уровень звукового и ультразвукового давления вблизи от оборудования может достигать 105-128 дБ. Следовательно, вредному воздействию подвергается не только персонал, имеющий непосредственный контакт с ультразвуковым оборудованием или находящийся в зоне распространения ультразвуковой волны, но также и все работающие в помещении в результате возникновения высокочастотного шума.

При воздействии ультразвука и сопровождающего его высокочастотного звука или шума могут наблюдаться нарушения со стороны нервной системы: утомление, головные боли, бессонница ночью и сонливость днем, повышенная чувствительность к звукам, раздражительность, понижение кровяного давления, снижение остроты слуха и т.д. При длительном контакте с жидкостью, деталями, ультразвуковым инструментом может появиться снижение чувствительности кистей рук и чувство онемения в пальцах, Эти явления нестойки и, как правило, исчезают при прекращении работы на ультразвуковом оборудовании.

Уровни звукового давления на рабочих местах и ультразвуковых установок не должны превышать 75, 85 и 110 дБ соответственно при среднегеометрических частотах 12500, 16000 и 20000 Гц

инфразвук звуковой ультразвук давление

Литература

1. Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. - М., 1987.

2. Баулан И. За барьером слышимости. - М., 1971.

3. Пахомова Н.Ю. Метод учебного проекта в образовательных учреждениях. - М., 2005.

4. Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. - М., 1986.

5. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. - М., 2002.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Источники ультразвука и его применение в эхолокации, дефектоскопии, гальванотехнике, биологии. Диагностическое и терапевтическое применение ультразвука в медицине. Источники инфразвука, особенности распространения, физиологическое действие, применение.

презентация , добавлен 30.11.2011


Общее понятие о инфразвуке. Основные техногенные источники инфразвука. Использование инфразвука в повседневной жизни. Применение инфразвуковых волн в медицине, перспективы применения в лечении тяжелых заболеваний. Влияние инфразвука на организм человека.

реферат , добавлен 02.12.2009


Физические основы действия ультразвуковых волн на вещество. Низкочастотный и высокочастотный ультразвук. Хирургическое применение ультразвука. Эффект Доплера, применение для неинвазивного измерения скорости кровотока. Вибрации, физические характеристики.

контрольная работа , добавлен 25.02.2011


Понятие и общие характеристики ультразвука и инфразвука, их улавливаемость ухом человека и животных. Особенности использования данных физических явлений в современной промышленности и химико-техническом производстве, а также в медицине и эхолокации.

презентация , добавлен 16.12.2013


Ознакомление с понятием и сущностью ультразвука. Рассмотрение частоты ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии. Изучение особенностей преобразования акустической энергии в тепловую. Применение ультразвука в диагностике и в терапии.

презентация , добавлен 11.02.2016


Понятие ультразвука, его предельная верхняя граница. Ученые, занимающиеся изучением ультразвуковых волн. Применение ультразвука в медицине, в приборах для контрольно-измерительных целей и в технике. Ультразвуковые импульсы и лучи в живой природе.

доклад , добавлен 26.01.2009


Сущность ультразвука, его восприятие человеком. Эхолокация летучих мышей и дельфинов. Первый ультразвуковой свисток. Терапевтическое применение ультразвука в медицине. Примеры его использования в химии и биологии, в некоторых отраслях промышленности.

презентация , добавлен 20.05.2011


Определение инфразвука как механических волн, имеющих частоту менее 20 Гц, способных распространятся на огромные расстояния в воздухе, воде и земной коре. Использование свойств ультразвука (эхолокации) для расчета расстояния до объектов под водой.

презентация , добавлен 02.05.2012


Изучение причин возникновения и механизма действия инфразвука, для которого характерно малое поглощение и распространение на большие расстояния. Инфразвук в музыке, технике, природе. Влияние инфразвука на самочувствие человека. Перспективы использования.

презентация , добавлен 04.03.2011


Научно-техническая революция (НТР) ХХ века и ее влияние на современный мир. Значение физики и НТР в развитии науки и техники. Открытие и применение ультразвука. Развитие микроэлектроники и применение полупроводников. Роль компьютера в развитии физики.

Р е ф е р а т

По дисциплине: физика биологических систем
на тему: Ультразвуки и инфразвуки в природе и технике

Введение

Инфразвук (от латинского infra - ниже, под), упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16--25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределенна. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей Гц., т. е. с периодами в десяток секунд. Обычно слух человека воспринимает колебания в пределах 16-20000 Гц (колебаний в секунду). Инфразвук вызывает нервное перенапряжение, недомогание, головокружение, изменение деятельности внутренних органов, особенно нервной и сердечно - сосудистой систем.
Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень далёкие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении места сильных взрывов или положения стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказания стихийного бедствия -- цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, применяются для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды. "Голос моря" - это инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре, в результате вихреобразования за гребнями волн. Вследствие того, что для инфразвука характерно малое поглощение, он может распространяться на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения области шторма, то "голос моря" может служить для заблаговременного предсказания шторма. Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. На краю "колокола" у медузы расположены примитивные глаза и органы равновесия - слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть "уши" медузы. Они слышат инфразвуки с частотой 8 - 13 Гц. 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. Длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте 3.5 Гц она равна 100 метрам), проникновение в ткани тела также велико. Можно сказать, что человек слышит инфразвук «всем телом».
Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии. Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё в позапрошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и развитием таких её разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники и в особенности с рождением квантовой электроники.
Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надёжных средств излучения и приёма акустических волн, с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой -- позволивших продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощностей от долей милливатта до десятков киловатт.
Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей. В качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях. Ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины. В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли. В самое последнее время сформировались как самостоятельные области акустоэлектроника и акустооптика. Первая из них связана с обработкой электрических сигналов, использующей преобразование их в ультразвуковые. Из устройств акустоэлектроники наиболее известными и давно используемыми являются линии задержки и фильтры. Достижения в области изучения поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом теле привели к существенному расширению возможностей этих устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обеспечивающих более сложную обработку сигналов. Акустооптика, связанная с обработкой световых сигналов посредством ультразвука, является одной из самых молодых и быстро развивающихся областей ультразвуковой техники. К новейшим ультразвуковым методам принадлежит акустическая голография, перспективы которой весьма многообещающи, поскольку она создаёт возможность получения изображений предметов в непрозрачных для световых лучей средах. Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы диагностики. Об ультразвуковой терапии, занявшей прочное положение среди современных физиотерапевтических методов, и, наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в медицине -- ультразвуковой хирургии. Наряду с применениями практического характера, ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Нельзя себе представить современную физику твёрдого тела без применения ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фотонах, их поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуждениями в твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов широко используются методы молекулярной акустики; всё большую роль играют ультразвуковые методы в биологии. Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности. Растёт число публикаций о нём в газетах и журналах, в популярных изданиях. Инженеры и научные работники, занятые в самых различных областях народного хозяйства и науки, оценивают возможности использования ультразвуковых методов для своих конкретных задач и в связи с этим хотят получить представление о различных аспектах физики и техники ультразвука на современном уровне. Однако имеющаяся научно-техническая литература в настоящее время не в состоянии полностью удовлетворить такую потребность. Известные издания общего характера, посвящённые физике и технике ультразвука, зачастую не соответствуют современному состоянию науки. Опубликованные в последние годы специальные монографии научного и прнкладного характера предназначены для подготовленных читателей, обладающих достаточным запасом знаний в области акустики и смежных разделов физики, например, физики твёрдого тела, или в какой-то определенной, связанной с ультразвуком отрасли техники. В этой работе описаны основные темы, касающиеся инфразвука, ультразвука в природе и технике.

Ультразвук, инфразвук и человек

Ультразвук и инфразвук в приро де

То, что у дельфина необычайно развитый слух, известно уже десятки лет. Объемы тех отделов мозга, которые заведуют слуховыми функциями, у него в десятки(!) раз больше, чем у человека (при том, что общий объем мозга примерно одинаков). Дельфин способен воспринимать частоты звуковых колебаний, в 10 раз более высокие (до 150 кГц), чем человек (до 15-18 кГц), и слышит звуки, мощность которых в 10-30 раз ниже, чем у звуков, доступных слуху человека, каким бы хорошим ни было зрение дельфина, его возможности ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную локацию: слушает эхо, возникающее при отражении издаваемых им звуков от окружающих предметов. Эхо дает ему точные сведения не только о положении предметов, но и об их величине, форме, материале. Иными словами, слух позволяет дельфину воспринимать окружающий мир не хуже или даже лучше, чем зрение.
Слух человека позволяет различать интервалы времени примерно от одной сотой секунды (10 мс). Дельфины же различают интервалы в десятитысячные доли секунды (0.1-0.3 мс). То же наблюдается и при действии других пробных звуков. Два коротких звуковых импульса отличаются от одного, когда интервал между ними составляет всего 0.2-0.3 мс (у человека - несколько мс). Пульсации громкости звука вызывают ответы, когда их частота приближается к 2 кГц (у человека - 50-70 Гц).

Сонары летучих мышей.

Природа наградила летучих мышей способностью издавать звуки с частотой колебаний выше 20000 герц, то есть ультразвуки, недоступные уху человека. Локатор летучих мышей высокоточен, надежен и ультраминиатюрен. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз эффективнее всех локационных систем, созданных человеком. С помощью такого ультразвукового "видения" летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволоку диаметром 0,12-0,05 мм, улавливают эхо, которое в 2000 раз слабее посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделять полезный звук, то есть только тот диапазон, который им нужен.
Летучие мыши издают звуки высотой в 50 000-60 000 Гц и воспринимают их. Этим объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при выключенном зрении (принцип радара). В пределах своего диапазона нормальное человеческое ухо воспринимает все тоны беспрерывно, без пропусков.
У летучих мышей ультразвуки обычно возникают в гортани, которая по устройству напоминает обычный свисток. Выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через него и с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле! Более того, издаваемые звуки очень громкие: если бы мы их улавливали, то воспринимали бы, как рев двигателя реактивного истребителя с близкого расстояния. Не глохнут же летучие мыши потому, что у них есть мышцы, закрывающие уши в момент испускания разведывательных ультразвуков. Безопасность ушей гарантируется совершенством их конструкции: при максимальной частоте следования зондирующих импульсов - 250 в секунду - заслонка в ухе летучей мыши успевает открываться и закрываться 500 раз в секунду.
Поскольку скорость звука значительно превышает скорость движения даже быстрокрылых птиц, эхолокацией можно пользоваться и во время полета. Самым совершенным локатором обладают летучие мыши, развивающие во время охоты большую скорость и постоянно выполняющие в воздухе фигуры высшего пилотажа. О качестве "локаторного" слуха свидетельствуют результаты охоты: самые маленькие хищники уже за 15 минут охоты на комаров, мошек и москитов увеличивают свой вес на 10 процентов. "Навигационный прибор" настолько точен, что в состоянии запеленговать микроскопически малый предмет диаметром всего 0,1 миллиметра. Дональд Гриффин, исследователь эхолокаторов летучих мышей (давший, кстати, им это название), считает, что если бы не эхолот, даже всю ночь, летая с открытым ртом, летучая мышь поймала бы по закону случая одного-единственного комара.

Другие природные сонары.

Сонары имеются также и у ряда других видов животных. Они есть у кашалотов, которые используют их для поиска скоплений глубоководных кальмаров. Сонар кашалота своеобразная дальнобойная пушка", имеющая длину до 5 м и занимающая почти треть тела животного. Эхолокация обнаружена у обитающих в Америке птиц гуахаро. Их сонары менее совершенны, чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают на относительно низких частотах, а именно в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро не замечают в темноте объектов, имеющих небольшие размеры. В пещерах гуахаро очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные крики, напоминающие плач и стоны, трудно переносимые для непривычного уха.
Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы, обитающие в Индонезии и на островах Тихого океана. У разных видов саланганов сонары работают на разных частотах: 2000 до 7000 Гц. Любопытно, что когда птица сидит, её эхолокационный аппарат не работает; локационные импульсы посылаются только в полете (при взмахивании крыльями). Не работает сонар саланганов и на свету.

Ультразвук и инфразвук в техни ке

В настоящее время инфразвук начинают медленно использовать в медицине. В основном при лечении рака (удаление опухолей), в микрохирургии глаза (лечение заболеваний роговицы) и в некоторых других областях. В России впервые лечение инфразвуком роговицы глаза применили в Российской детской клинической больнице. Впервые в практике детской офтальмологии при лечении заболеваний роговицы применен инфразвук и инфразвуковой фонофорез. Подведение лекарственных веществ к роговице с помощью инфразвука позволило не только ускорить процесс выздоровления, но и способствовало рассасыванию стойких помутнений роговицы, а также снизить количество рецидивов заболевания. Сейчас существуют немало физиоотерапевтических аппаратов использующих метод лечения инфразвуком. Но они имеют применение лишь в узких специализациях. По применению инфразвука против рака известно очень мало, существуют единичные устройства такого типа. Хотя перспективность их применения не вызывает больших сомнений. Сложность применения обусловлена тем, что инфразвук оказывает губительное воздействие на живой организм, нужно провести сотни испытаний и много лет работы, чтобы найти подходящие параметры воздействия. Будущее этого метода не за горами.

Инфразвуковое (психотронное) оружие и его применение

В XXI веке имеются сведения по разработке и испытаниях инфразвукового оружия некоторыми странами - лидерами на военно-политической мировой арене, в том числе непременно США и Россией. Создатели сверхоружия, основанного на воздействии инфразвука, утверждают, что оно полностью подавляет противника, вызывая у него такие "неотвратимые" последствия, как тошнота и рвота. В основном инфразвуковое оружие применяют против живой силы. По данным исследований, проводившихся в некоторых странах, инфразвуковые колебания могут воздействовать на центральную нервную систему и пищеварительные органы, вызывая паралич, рвоту и спазмы, приводить к общему недомоганию и болевым ощущениям во внутренних органах, а при более высоких уровнях на частотах в единицы Гц - к головокружению, тошноте, потере сознания, а иногда к слепоте и даже смерти.
Инфразвуковое оружие может также вызывать у людей паническое состояние, потерю контроля над собой и непреодолимое желание укрыться от источника поражения(!), что особенно ценно в условиях войны. Определенные частоты могут воздействовать на среднее ухо, вызывая вибрации, которые в свою очередь, становятся причиной ощущений сродни тем, какие бывают при укачивании, морской болезни. Дальность его действия определяется излучаемой мощностью, значением несущей частоты, шириной диаграммы направленности и условиями распространения акустических колебаний в реальной сред Разработчики вооружения такого вида и исследователи его ужасных последствий потратили немало денег из государственной казны.
Инфразвуковое оружие - один из видов ОМП (оружие массового поражения), основанного на использовании направленного излучения мощных инфразвуковых колебаний. Прототипы такого оружия уже существуют и неоднократно рассматривались в качестве возможного объекта для испытаний. Практический интерес представляют колебания с частотой от десятых и даже сотых долей до единиц Гц. Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, в воде и в земной коре могут распространяться на большие расстояния, проникать сквозь бетонные и металлические преграды. Это оружие оказывает психотронное воздействие на ЦНС (центральная нервная система) человека, впоследствии при высоких частотах выводя из строя весь организм. В США разработками этого секретного оружия занимается Пентагон, в частности Минобороны США. Наряду с разработками инфразвуковой пушки, там особое внимание уделяют исследованиям по воздействию этого оружия на человека, выделяются многомилионные трансферты. Ивестно, что разработками такого вида вооружения занимались в СССР, в конце 80-х годов. Из рассказа доктора технических наук В. Канюка: “Я возглавлял секретный комплекс в Подлипках. Он входил в НПО “Энергия” (руководитель - акодемик В.П. Глушко). Во исполнении закрытого Постановления ЦК КПСС и Совмина СССР от 27 января 1986 года мы создали генератор специальных физических полей. Он был способен корректировать поведения огромных масс населения. Выведенная на космическую орбиту, эта аппаратура охватывала своим “лучем” территорию, равную Краснодарскому краю. Средства, ежегодно выделявшиеся на эту и смежные с ней программы, были эквивалентны пяти миллиардам долларов(!)...” (да, именно тех долларов по курсу около 6 руб. за 1 у.е.) Летом 1991 года комитет Верховного Совета СССР опубликовал жутковатую цифру. КГБ (комитет госбезопасности, аналог нашего ФСБ или американского ФБР), Академия наук, Министерство обороны и другие ведомства израсходовали на разработки психотронного оружия полмиллиарда полновесных дореформенных рублей. Одной из главных задач было “дистанционное медико-биологическое и психофизическое воздействие на войска и население противника”. В России (по неофициальным данным) существуют отечественные разработки психотронного оружия основанного на распространении инфразвуковых волн “Лава - 5” и “Русло - 1”. Указывается, что в классификации средств массового поражения (ею пользуются военно-промышленные комплексы развитых стран) появился пункт: “Это оружие с воздействием на генетический аппарат. В определенных кругах оно называется “экологически чистым” и даже “гуманным”, не разрушающим городов и зачастую не убивающим людей, например, как ядерное оружие. Несмотря на низкую разрушающую способность, оно имеет более высокий КПД против живой силы противника (за исключением ядерного оружия и некоторых др.). Это оружие так же интересно не только военным, но и силам полиции, как эффективная мера воздействия во время разгона демонстраций и массовых беспорядках, оно должно в будущем заменить водомётные пушки, резиновые пули и дубинки, слезоточивый газ и др. устаревшие средства. Его так же называют этническим оружием. Можно с уверенностью сказать, что инфразвуковое оружие - это новая веха в разделе оружий массового поражения.

Применение ультразвука в медицине

Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет, но до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме его воздействия на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый микромассажем.
Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.
Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей мозга и постановки диагноза.
Акушерство – область медицины, где эхоимпульсные УЗ-методы наиболее прочно укоренились, как, например, ультразвуковое исследование (УЗИ) движения плода, которое недавно прочно вошло в практику. Сейчас происходит накопление информации по движению конечностей плода, псевдодыханию, по динамике сердца и сосудов. Пока исследуются физиология и развитие плода, а до обнаружения аномалий пока ещё далеко.
Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологий и аномалий его структур в случае непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Область позади глаза – орбита – доступна обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов исследования патологий этой области.
Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных сосудов. Это связано с возможностью быстрого получения пространственной информации, а также возможностью её объединения с томографической визуализацией.
Терапия и хирургия. Давно известно, что
УЗ-излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил его повреждающее действие на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что УЗ-волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь недавно стал намечаться научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии УЗ-излучения с биологической средой. Терапевтический ультразвук можно разделить на ультразвук низких и высоких интенсивностей – соответственно неповреждающий нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты) и стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений (физиотерапия и некоторые виды терапии рака). При более высоких интенсивностях основная цель – вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях (хирургия). Электронная аппаратура используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000кГц) пучком.

Другие технологии

Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление в волне обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения косяков рыбы или других подводных объектов. Одна из первых практических УЗ-систем обнаружения подводных лодок появилась в конце Первой мировой войны.
Ультразвуковой расходомер. Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается со скоростью потока, то вычитается из неё. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, в итоге вычисляется скорость потока, а по ней – и массовая скорость (расход). Этот измеритель может применяться как в замкнутом контуре (например, для исследований кровотока в аорте или охлаждающей жидкости в атомном реакторе), так и в открытом (например, реки).
Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств этой среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую УЗ-химией. Она исследует и стимулирует такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, диполимеризация, ускорение реакций.
УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами в металлических расплавах, и разрушает оксидную плёнку алюминия, и позволяет производить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.
УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей из очень твёрдых и хрупких материалов, как, например, стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая сталь. В промышленности также используется большой ассортимент оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенцев с малогабаритных деталей.
Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей. Ещё в 1927 г. американские учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду)
и т.д.................