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.
Инфразвук представляет собой звуковые волны низкой частоты, которые люди не слышат. Так как слуховой аппарат людей может воспринимать звуки в пределах частот от 16 до 20 тысяч, то за верхний уровень частот инфразвука принято считать 16 Гц. Наименьший уровень этого диапазона расположен на уровне 0,001 Гц. Однако на практике интерес представляют колебания, имеющие десятую или сотую доли герца.
Что это
Инфразвуковые волны представляют низкочастотные механические колебания менее 16 Гц. Его источниками могут являться естественные объекты в виде грозовых разрядов или землетрясений, а также искусственные объекты в виде станков, автомобилей, взрывов или специальных устройств. Волны также могут сопровождать шумы при работе транспорта и промышленных установок. Типичным примером таких низкочастотных колебаний является вибрация.
Так как инфразвуковые колебания слабо поглощаются разными средами, они могут перемещаться на весьма значительные расстояния по поверхности земли, воды и воздуха. Благодаря такому свойству удается определить расположение эпицентра землетрясения, мощного взрыва либо стреляющей пушки. Так колебания в океане идут на большие расстояния, то фиксирующее оборудование может за определенный период времени получить данные о возникновении стихийного бедствия, к примеру, цунами.
Природа появления инфразвуковых колебаний аналогична слышимому звуку, вследствие чего им свойственны те же физические принципы, что и обычному звуку. Инфразвукимеет достаточно большую длину волны, вследствие чего у них наблюдается ярко выраженная дифракция. Вообще дальнобойность является важным свойством сверхнизкого звука. Благодаря способности отражения и дальнобойности инфразвуковые волны находят широкое применение в самых разных областях науки и техники.
Принцип действия
Инфразвукможет создавать любое тело, которое имеет определенное колебательное движение. Так как частота собственных колебаний снижается с увеличением размеров объекта, то в большинстве случаев инфразвуковые волны появляются при колебаниях или быстрых перемещениях. Например, в домашних условиях их можно получить ударом по натянутому полотну ткани или резком закрытии двери и так далее. Источниками таких колебаний могут послужить и природные явления: гроза, землетрясения и тому подобное.
Генераторами незатухающих волн являются устройства, которые напоминают свистки. Если труба имеет закрытый конец, то длина волны соответствует 1/4 стоячей волны. Так как длина волны является большой, то следует брать большую трубу. При помощи свистков можно получить весьма значительные мощности. К примеру, инфразвуковой «свисток», который создал французский ученый Гавро, имел наибольшую мощность в 2 кВт и диаметр в 1,5 м. При его использовании появлялись волны, которые приводили к появлению трещин на стенах. Если бы его включили на всю мощность, то волны могли бы разрушить целое здание.
Инфразвуковые волны гораздо лучше проникают в помещения, чем звуковые. К тому же они оказывают неблагоприятное влияние на человека. При длительном воздействии у людей появляется раздражение, головная боль и усталость. Действие волн на человека объясняется резонансной природой. В случае приближения частот колебаний тела к частотам внешней инфразвуковой волны наблюдается эффект резонанса.
Если человек лежит, то его частота тела человека равняется 4 Гц, в стоячем положении она составляет от 5 до 12 Гц. При этом каждый орган человека имеет свою частоту колебаний. Для брюшной полости частота составляет 3-4 Гц, для грудной клетки – в пределах 6-8 Гц и так далее. При совпадении волн с этими частотами происходит резонанс, который вызывает неприятные ощущения, а в некоторых случаях приводит к весьма тяжелым последствиям. Именно поэтому в промышленности, транспорте и жилых домах принимаются меры, чтобы снизить воздействие инфразвуковых колебаний.
При возникновении резонанса человеку кажется, что его внутренние органы начинают вибрировать. Инфразвукопределенной частоты способен вызвать даже расстройства мозга, привести к слепоте и даже вызвать смерть. По такому же принципу инфразвуковые волны воздействуют и на другие объекты. К примеру, в истории известен случай, когда по каменному мосту маршем, чеканя шаг, передвигался отряд солдат. В результате возникли колебания, которые совпали с внутренней частотой моста. Возник резонанс, который привел к разрушению моста.
Применение
Инфразвукявляется не только нежелательным и опасным явлением, его часто используют и в полезных целях. Так инфразвуковые колебания применяют для исследования океанов, атмосферы, в том числе нахождения мест, где происходят взрывы или извержения вулканов. При помощи них предсказывают цунами и контролируют проведение подземных ядерных взрывов. Для регистрации инфразвуковых волн используют геофоны, гидрофоны или микрофоны.
На сегодняшний день инфразвуковые волны начинают медленно, но успешно использовать в медицинских целях. Главным образом их применяют для удаления опухолей во время лечения рака, лечения болезней роговицы, а также в ряде иных областей. В нашей стране инфразвуковыми колебаниями впервые лечили роговицу в детской клинической больнице. С этой целью был создан и использован инфразвуковой фонофорез.
При помощи этого прибора и создаваемых им инфразвуковых волн к роговице были доставлены лекарственные вещества, которые ускорили выздоровление и привели к рассасыванию помутнений в роговице.
На данный момент разрабатываются различные физиотерапевтические технологии, в которых используются инфразвуковые волны. Однако такое лечение используют только отдельные специалисты и узконаправленно. В лечении рака применяются только отдельные экземпляры приборов, которые работают на инфразвуковых колебаниях. У них большая перспектива, однако, развитие подобных методов останавливает вредное воздействие, которое оказывают инфразвуковые волны на живой организм. Тем не менее, в будущем эти проблемы должны быть решены.
Военное применение
Сегодня американскими, российскими и иными зарубежными специалистами разрабатывается инфразвуковое оружие. Каждая страна желает преуспеть в этом деле, ведь это позволит получить недорогое, но эффективное средство, которое будет способно скрытно оказывать действие на множество людей. В зависимости от используемой частоты на поле боя инфразвук будет приводить противника к паническому состоянию, вызывать сумасшествие, страх, плохое самочувствие и смерть. Обладателю такого оружие будет достаточно направить его в сторону солдат, чтобы те разбежались.
Инфразвуковое оружие уже находит применение против толпы. Подобное оружие было применено в Грузии против протестующих. Люди под воздействием волн ощущали невероятный страх, они хотели спрятаться. Им казалось, что они сходят с ума и даже погибают. Некоторые люди теряли контроль и на некоторое время полностью забывали, кто они и что вокруг происходит. Затем люди приходили в себя, но не понимали, как они оказывались в том или ином месте. После этих событий многие люди имели стойкий страх перед участием в митингах или любых других массовых мероприятиях.
Хотя инфразвуковое оружие и показало свою состоятельность, однако последствия, которые оно может оказать на людей, до сих пор толком не изучено. Проблемой является и то, что инфразвукв городских условиях преломляется и отражается, воздействуя в обратном направлении. Явление резонанса также можно использовать и при осаде строения, где располагаются террористы. Но здесь также достаточно много «белых» пятен.
Подоплека военного применения инфразвука
Тем не менее, у изобретателей есть исторический пример вполне успешного применения инфразвукового оружия. Так в Библии описывается случай, когда евреи разрушили стены Иерихона с помощью звука, которые издавали священные трубы. На этом примере и “немцы” пытались создать свое инфразвуковое оружие для уничтожения самолетов противника. Но это не привело к успеху.
“Немцы” пытались устраивать диверсии против англичан. Они посылали в Великобританию специальные грампластинки, на которых были записаны мелодии. При включении записи пластинки должны были излучать инфразвук. Однако и здесь немецких военных ждала неудача.
Тем не менее, немецкие ученые не останавливали свои изобретательские работы. Ричард Валлаушек продолжил создание устройства, которое могло бы привести к смерти противника. В 1944 году он продемонстрировал установку Schallkanone , которая напоминала параболический отражатель, внутри которого располагался инжектор с зажиганием. В него подавалось горючее вещество и кислород.
При поджигании смеси устройство через определенные промежутки времени выдавало волны требуемой частоты. В результате, люди, которые находились на расстоянии 60 метров от устройства. Падали замертво и погибали. Установка показала эффективность, однако уже был конец войны, ее не удалось полноценно испытать и запустить в серию. Саму же установку после разгрома “немцев” вывезли в Америку, как и многие другие образцы акустического оружия.
Сегодня идеи “немцев” получили свое развитие. Не так давно американская армия продемонстрировала устройство, которое генерирует «акустические пули». Специалисты из России также показали свою установку, которая создает инфразвуковые «акустические пули», которые поражают противника за сотни метров.
Инфразвук - это колебание в воздухе, в жидкой или твердой средах с частотой меньше 16 Гц. Инфразвук
человек не слышит, однако ощущает; он оказывает разрушительное действие на организм человека. Высокий уровень инфразвука вызывает нарушение функции вестибулярного аппарата, предопределяя головокружение, головную боль. Снижается внимание, работоспособность. Возникает чувство страха, общее недомогание. Существует мнение, что инфразвук сильно влияет на психику людей.
Все механизмы, которые работают при частотах вращения меньше 20 об/с, излучают инфразвук. При движении автомобиля со скоростью более 100 км/час он является источником инфразвука, который возникает за счет срыва воздушного потока с его поверхности. В машиностроительной отрасли инфразвук возникает при работе вентиляторов, компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, дизельных двигателей.
Согласно действующим нормативным документам уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, Гц должен быть не больше 105 дБ, а для полос с частотой 32 Гц - не более 102 дБ. Благодаря большой длине инфразвук
распространяется в атмосфере на большие расстояния. Практически невозможно остановить инфразвук при помощи строительных конструкций на пути его распространения. Неэффективны также средства индивидуальной зашиты. Действенным средством защиты является снижение уровня инфразвука
в источнике его образования. Среди таких мероприятий можно выделить следующие:
увеличение частот вращения валов до 20 и больше оборотов в секунду;
повышение жесткости колеблющихся конструкций больших размеров;
устранение низкочастотных вибраций;
внесение конструктивных изменений в строение источников, что позволяет перейти из области инфразвуковых колебаний в область звуковых; в этом случае их снижение может быть достигнуто применением звукоизоляции и звукопоглощения.
Ультразвук.
Ультразвук
широко используется во многих отраслях промыш¬ленности. Источниками ультразвука являются генераторы, которые работают в диапазоне частот от 12 до 22 кГц для очистки отливок, в аппаратах для очистки газов. В гальванических цехах ультразвук возникает во время работы травильных и обезжиривающих ванн. Его влияние наблюдается на расстоянии 25-50 м от оборудования. При загрузке и выгрузке деталей имеет место контактное влияние ультразвука.
Ультразвуковые генераторы
используются также при плазменной и диффузионной сварке, резке металлов, при напылении металлов.
Ультразвук высокой интенсивности возникает во время удаления загрязнений, при химическом травлении, обдувке струей сжатого воздуха при очистке деталей, при сборке.
Ультразвук
вызывает функциональные нарушения нервной системы, головную боль, изменения кровяного давления, состава и свойств крови, предопределяет потерю слуховой чувствительности, повышает утомляемость.
Ультразвук влияет на человека через воздух, а также через жидкую и твердую среды.
Ультразвуковые колебания
распространяются во всех упомянутых выше средах с частотой более -16 000 Гц.
Для защиты от ультразвука, который передается через воздух, применяется метод звукоизоляции. Звукоизоляция эффективна в области высоких частот. Между оборудованием и работниками можно устанавливать экраны. Ультразвуковые установки можно располагать в специальных помещениях. Эффективным средством защиты является использование кабин с дистанционным управлением, расположение оборудования в звукоизолированных укрытиях. Для укрытий используют сталь, дюралюминий, оргстекло, текстолит, другие звукопоглощающие материалы.
Звукоизолирующие кожухи на ультразвуковом оборудовании должны иметь блокировочную систему, которая выключает преобра¬зователи при нарушении герметичности
Применение ультразвука
в биологии.
Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в
биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от
ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких
внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения
взаимосвязи между их структурой и функциями (аналитическая цитология).
Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью
вызывать мутации. Исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что
ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК.
Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в
селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими
мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том,
что с ним чрезвычайно легко работать.
Инфразук возникает при работе промышленных установок, автомобилей, тракторов и бытовых приборов. Например, сельскохозяйственные тракторы на резиновом ходу и грузовики имеют максимальные вибрации в диапазоне 1,5–3,5 Гц, гусеничные тракторы – около 5 Гц. Такие звуки не слышны, тем не менее они оказывают действие на организм человека: появляется повышенная нервозность, чувство страха, приступы тошноты. Иногда из носа и ушей идет кровь.
Свойство инфразвука
вызывать страх используется полицией в ряде стран мира. При необходимости разогнать толпу полицейские включают мощные генераторы ультразвука, частоты которых отличаются на 5–9 Гц. Ультразвук не слышен, однако биения, возникающие из-за различия частот генераторов, имеют инфразуковую частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из места, где действует инфразвук.
Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Возможно, что действие инфразвука связано с возникновением резонанса – резкого усиления колебаний при совпадении частоты звука с собственной частотой какого-либо предмета или устройства.
Разного рода резонансы возможны и в организме человека. При этом важную роль играет центральная нервная система, в которую в виде электрических импульсов поступают сигналы от всех рецепторов. Многим знакомы неприятные ощущения после длительной езды в автобусе, поезде, плавания на корабле или качания на качелях. Говорят: «Меня укачало». Все эти ощущения связаны с действием инфразвука на вестибулярный аппарат, собственная частота которого близка к 6 Гц.
При воздействии на человека инфразвука с частотами, близкими к 6 Гц, могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазом, начнет «ломаться» горизонт, возникнут проблемы с ориентацией в пространстве, придут необъяснимая тревога, страх. Подобные ощущения вызывают и пульсации света на частотах 4–8 Гц. Еще египетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, привязывали его и с помощью зеркала освещали глаза пульсирующим солнечным лучом. Через некоторое время у пленника появлялись судороги, шла пена изо рта, его психика подавлялась, и он отвечал на вопросы.
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
- Механический способ - вибрационные системы (струны, эластичные пластины, трубы).
- Термический способ - от электрических разрядов в жидкостях и газах, путем постоянного повышения температуры или импульсного тока.
- 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 - это звук диапазона, выше предела слышимости человека, т.е. с частотой звуковой волны свыше 20 КГц.
Инфразвук - это звук диапазона, ниже предела слышимости человека, т.е. с частотой звуковой волны менее 20 Гц.
Ультразвук, инфразвук и человек
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/см2).
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. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома.
Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер.
При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции.
Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия.
Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект.
Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, составляет гигиеническое нормирование.
В соответствии с ГОСТ 12.1.01-89 "Ультразвук. Общие требования безопасности", "Санитарными нормами и правилами при работе на промышленных ультразвуковых установках" (№ 1733-77) ограничиваются уровни звукового давления в высокочастотной области слышимых звуков и ультразвуков на рабочих местах (от 80 до 110 дБ при среднегеометрических частотах третьоктавных полос от 12,5 до 100 кГц).
Ультразвук, передающийся контактным путем, нормируется "Санитарными нормами и правилами при работе с оборудованием, создающим ультразвуки, передающиеся контактным путем на руки работающих" № 2282-80.
Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм операторов технологических установок, персонала лечебно-диагностических кабинетов состоят в первую очередь в проведении мероприятий технического характера. К ним относятся создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах на 20-40 дБ; размещение оборудования в звуко-изолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением; оборудование звукоизолирующих устройств, кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами.
При проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона - не ниже 22 кГц.
Чтобы исключить воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо устанавливать систему автоматического отключения ультразвуковых преобразователей при операциях, во время которых возможен контакт (например, загрузка и выгрузка материалов). Для защиты рук от контактного действия ультразвука рекомендуется применение специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой.
Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты - противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой и др.
Развитие техники и транспортны) 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 частого! ниже 20 Гц. Этот частотный диапазон лежит ниже порога слышимости и человеческое ухо не способно воспринимать колебания указанных частот.
Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов что и шум слышимых частот. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения).
Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.
Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном 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.
В соответствии с Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах (№ 2274-80) по характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. Гармонический характер спектра устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный.
Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц.
Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ Лин.
Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.
Наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение должно отдаваться малогабаритным машинам большой жесткости, так как в конструкциях с плоскими поверхностями большой площади и малой жесткости создаются условия для генерации инфразвука. Борьбу с инфразвуком в источнике возникновения необходимо вести в направлении изменения режима работы технологического оборудования - увеличения его быстроходности (например, увеличение числа рабочих ходов кузнечно-прессовых машин, чтобы основная частота следования силовых импульсов лежала за пределами инфразвукового диапазона).
Должны приниматься меры по снижению интенсивности аэродинамических процессов - ограничение скоростей движения транспорта, снижение скоростей истечения жидкостей (авиационные и ракетные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, системы сброса пара тепловых электростанций и т.д.).
В борьбе с инфразвуком на путях распространения определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа, обычно при наличии дискретных составляющих в спектре инфразвука.
Выполненное в последнее время теоретическое обоснование течения нелинейных процессов в поглотителях резонансного типа открывает реальные пути конструирования звукопоглощающих панелей, кожухов, эффективных в области низких частот.
В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия сопутствующего шума.
К мерам профилактики организационного плана следует отнести соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ. При контакте с ультразвуком более 50% рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 часа работы. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур - массаж, УТ-облучение, водные процедуры, витаминизация и др.
Сонар дельфина.
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.
