Звук. Акустика

Рассмотрим  сначала случай, когда источник звука  неподвижен относительно среды, в которой  распространяются звуковые волны. Если частота колебаний звука υ₀ и скорость его распространения в среде V, то длина звуковой волны

.

При движении приемника со скоростью  к источнику вдоль линии, которая их соединяет, скорость распространения звука относительно приемника будет равняться V + . Поскольку длина звуковой волны при этом не изменяется, то за единицу времени к подвижному приемнику придет большее количество волн, чем к недвижимому. Частота колебаний, которую регистрирует подвижный приемник, будет равна:

.

Отсюда  вытекает, что приемник, который  двигается к источнику звука, регистрирует большую частоту, чем частота колебаний источника звука. Если приемник звука отдаляется от покоящегося источника звука со скоростью , то скорость звуковых волн относительно приемника будет V - . Приемник звука будет регистрировать при этом меньшую частоту, чемта, которую генерирует источник звука, а именно:

Если источник и приемник звука будут двигаться одновременно, то длинна волны и скорость их распространения относительно приемника звука будут меняться. При этом частота, которую регистрирует приемник, будет:

 .

Знак  плюс в числителе выражения отвечает случаю, когда приемник приближается к источнику звука, знак минус – когда отдаляется. В знаменателе знаки стоят наоборот, т.е. знак минус указывает на приближение источника к приемнику звука, а знак плюс – на отдаление его от источника звука.

Если  приемник или источник звука движутся не вдоль прямой, которая соединяет их, то эффект Доплера определяется проекциями скоростей движения на направление этой прямой. Заметим, что все скорости, которые входят в последнюю формулу, определяются относительно той среды, в которой распространяется звук.

Глава 4. Ультразвук

Как уже  отмечалось, упругие волны, частоты  которых лежат в интервале  от 2×10⁴ до 10⁹ Гц, называют ультразвуком. Весь диапазон частот ультразвуковых волн условно разделяют на три поддиапазона: ультразвуковые волны низких (2 × 10⁴-10⁵ Гц), средних (10⁵ - 10⁷ Гц) и высоких частот (10⁷ -10⁹ Гц).

Физическая природа ультразвуковых волн такая же, как и у звуковых волн любой длины. Тем не менее, вследствие более высоких частот ультразвук имеет ряд специфических особенностей при его распространении. В связи с тем, что длины ультразвуковых волн довольно малые, характер их распространения определяется в первую очередь молекулярными свойствами вещества. Характерная особенность распространения ультразвука в многоатомных газах и в жидкостях - это существование интервалов длин волн, в пределах которых проявляется зависимость фазовой скорости распространения волн от их частоты, т.е. имеет место дисперсия звука. В этих интервалах длин волн также происходит значительное поглощение ультразвука. Поэтому при распространении его в воздухе происходит более значительное его затухание, чем звуковых волн. В жидкостях и твердых телах (особенно монокристаллах) затухание ультразвука значительно меньше. Поэтому область применения ультразвука средних и высоких частот лежит в основном в жидких и твердых средах, а в воздухе и в газах применяют только ультразвук низких частот.

Еще одна особенность ультразвука – это возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, поскольку при определенной амплитуде плотность потока энергии пропорциональная квадрату частоты.

До важных явлений, которые возникают в жидкостях при прохождении ультразвука, принадлежит кавитация. Это получение кратковременных импульсов давления при схлопывании пузырьков воздуха.

Для получения ультразвуковых волн используют механические и электромеханические приборы. К механическим можно отнести воздушные и жидкостные сирены и свистки. Многие вещества могут генерировать ультразвук при помещении их в высокочастотное электрическое поле, к таким веществам относят кварц, сегнетовую соль, титанат бария.

Излучатели  ультразвука, изготовленные из этих веществ, работают на основе обратного  пьезоэлектрического эффекта. Суть его заключается в следующем: под действием внешнего электрического поля, изменяющегося с высокой частотой, в материале наблюдается механическая деформация, происходящая также с высокой частотой.

Основной  частью такого излучателя является пластина 1 из материала с хорошо выраженными  пьезоэлектрическими свойствами. На нее через электроды 2 от электрического генератора подается переменное напряжение, под действием которого вследствие обратного пьезоэффекта пластина начинает вибрировать, излучая ультразвуковые волны соответствующей частоты.

Приемник  ультразвука работает на прямом пьезоэффекте: под действием механической волны возникает деформация кристалла, которая приводит к генерации переменного электрического поля, которое может быть измерено.

Ультразвук используют во многих областях знаний, науке и технике. Его используют для изучения свойств и строения вещества. С его помощью получают информацию о строении морского дна, его глубине, находят косяки рыб в океане. Ультразвуковые волны могут проникать через металлические изделия толщиной около 10 метров. Это их свойство положено в основу принципа работы ультразвукового дефектоскопа, который помогает находить дефекты и трещины в твердых телах. В медицине это свойство ультразвука положено в основу работы приборов ультразвуковой диагностики, которые позволяют визуализировать внутренние органы, диагностировать болезни на ранних стадиях.

Действие  ультразвуковых колебаний непосредственно  на расплавы дает возможность получить более однородную структуру металлов. Ультразвуковая кавитация применяется для очищения от грязи поверхностей деталей (часовое производство, приборостроение, электронная техника и др.). На основе кавитации осуществляется металлизация тел и пайка, дегазация жидкостей.

Физические  процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты:

• Микровибрации на клеточном и субклеточном уровнях,
• Разрушение биомакромолекул,
• Перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран,
• Тепловое действие,
• Разрушение клеток и микроорганизмов.

Медико-биологические  приложения УЗ можно разделить условно  на два направления: методы диагностики  и методы воздействия.

К первому  направлению относятся локационные  методы с использованием главным  образом импульсного излучения:

• Эхоэнцефалография – определение опухолей и отека головного мозга.
• Ультразвуковая кардиография – измерение размеров сердца в динамике.
• Ультразвуковая локация в офтальмологии позволяет определить размеры глазных сред.
• Ультразвуковой эффект Доплера применяют для изучения характера движения сердечных клапанов и определения скорости кровотока.
• По скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму  направлению относится ультразвуковая физиотерапия. Первичными механизмами  ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое воздействие на ткани.

Глава 5. Инфразвук

Инфразвуки  – это упругие колебания, аналогичные звуковым колебанием, но с частотами ниже 20 Гц. Инфразвуки на первый взгляд занимают небольшой диапазон частот от 20 до 0 Гц. На самом деле этот участок чрезвычайно большой, поскольку «к нулю» означает практически бесконечный диапазон колебаний. Этот диапазон менее изучен сравнительно со звуковым и ультразвуковым диапазонами.

Инфразвуковые волны возникают вследствие обдувания ветром зданий, деревьев, телеграфных столбов, металлических ферм; во время движения человека, животные, транспорта; при работе разных механизмов; при грозовых разрядах, взрывах бомб, выстрелах пушек. В земной коре наблюдаются колебание и вибрации инфразвуковых частот вследствие обвалов, движения разных видов транспорта, вулканических извержений и т.п. Другими словами, мы живем в мире инфразвуков, не подозревая об этом. Такие звуки человек скорее ощущает, чем слышет. Зарегистрировать инфразвуки можно только особыми приборами. Характерной особенностью инфразвука есть незначительное его поглощения в разных средах. Вследствие этого инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространяться на довольно большие расстояния (десятки тысяч километров). В связи с этим инфразвук образно называют «акустическим нейтрино». Так, инфразвуковые волны (частота колебаний 0,1 Гц), что образовались при извержении вулкана Кракатау (Индонезия) в 1883 г., несколько раз обошли вокруг земного шара. Они вызвали такие флуктуации давления, которые можно было зарегистрировать обычными барометрами.

Некоторые инфразвуки человек воспринимает, но не органами слуха, а организмом в  целом. Дело в том, что некоторые внутренние органы человека имеют собственную резонансную частоту колебаний 6 – 8 Гц. При действии инфразвука этой частоты возможное возникновение резонанса колебаний этих органов, который вызывает неприятные ощущения.

Исследованиями  ученых разные страны установлены, что  инфразвук любых частот и интенсивности представляет собой реальную угрозу для здоровья человека. Полученные результаты дают возможность сделать вывод, что инфразвук приводит к потере чувствительности органов равновесия тела, которое в свою очередь приводит к появлению боли в ушах, позвоночнике и повреждений мозга. Еще более пагубно влияет инфразвук на психику человека.

Свойство  ультразвуковых колебаний распространяться на большие расстояния в земной коре лежит в основе сейсмологии –  науки, которая изучает землетрясения  и исследует внутреннее строение Земли. Кроме океанологии и сейсмологии, инфразвук применяют в работе некоторых приборов и механизмов для разных практических целей. С  помощью таких приборов стараются  предусмотреть землетрясения, приближение  цунами.

Глава 6. Физические основы звуковых методов исследования в клинике.

Звук, как  и свет, является для человека важным источником информации, в этом заключается  его главное значение в нашей  жизни.

Звук  для врача может стать и  источником информации о состоянии  внутренних органов человека. Самый  распространенный звуковой метод диагностики  заболеваний – аускультация (выслушивание). Для этого применяют стетоскоп или фонендоскоп.

При аускультации легких выслушивают дыхательные  шумы, хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и наличию  сердечных шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода.

Графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация – суть метода, называемого фонокардиографией.

Метод перкуссии заключается в выслушивании отдельных частей тела при их простукивании.