ГлавнаяТайны планеты Земля → Ультразвук

Ультразвук

10 Июнь 2014

ultrazvukПонятие «звук» обычно связывают со звуковым ощущением, которое воспринимается человеческим ухом. Такое представление, распространенное в широких массах, уже давно находится в противоречии с взглядами физиков. Слышимый звук составляет только небольшую часть тех звуков, существование которых в природе вполне допустимо. А человеческое ухо воспринимает только небольшую часть их, не реагируя на остальные звуки.

Как известно, звук – это волновое движение молекул той среды, в которой он распространяется. Скорость распространения звука определяется физическими свойствами этой среды (Для воздуха, например, при комнатной температуре скорость звука равна 330 м/сек). Различие звука по высоте, ощущаемое при его восприятии, обусловлено различием в его частоте: низким тонам, ощущаемым человеческим ухом, соответствуют сравнительно низкие (медленные) частоты звука; высоким тонам – более высокие (быстрые) частоты. Нижний и верхний пределы частот звука, воспринимаемых человеком, несколько различаются у разных людей: обычно нижний предел лежит около 50 герц (Герц — период в секунду, 1 000 герц составляют 1 килогерц), в исключительных случаях доходит до 40 герц; верхний предел частот лежит обычно между 10 000 и 15 000 герц, в исключительных случаях доходит до 20 000 герц.

Диапазон частот между 50 и 15 000 герц и называется слышимым или звуковым диапазоном частот. Соответственно звуки этих частот называют слышимыми звуками или, условно, звуками. Звуки, частоты которых лежат вне пределов слышимых звуков, называют неслышимыми звуками. Неслышимые звуки, частоты которых лежат выше верхнего предела слышимости, т.е. выше 15 000 герц, называются ультразвуками.

Неслышимые звуки с частотами, более низкими, чем нижний предел слышимости, соответственно называют инфразвуками.

Возможность существования неслышимых звуков в природе, как указывалось выше, была давно известна. Несомненно также, что слышимые и неслышимые звуки подчиняются одним и тем же акустическим законам, так как физическая природа их одинакова. Но условия излучения, распространения и восприятия звуков разных частот, в соответствии с общими законами акустики, оказываются различными. В силу именно этих различий излучение и восприятие звуков человеком ограничено слышимым диапазоном частот, т. е. от 50 до 15 000 герц. По этой же причине характер акустического поля (Картина распространения звука в пространстве) на высоких и низких частотах обычно различен. Различна также и дальность распространения звука для звуков разной частоты.

Таким образом, особенности ультразвука обусловлены не тем, что он неслышим, а тем, что частота его выше и, следовательно, длина волны короче, чем у слышимого звука.

Отличительное свойство ультразвука состоит в том, что его можно излучить в виде почти параллельного узкого пучка. Реальные излучатели звука в слышимом диапазоне частот всегда излучают звук во все стороны. Так, во время разговора человек совсем необязательно должен быть обращен лицом к своему собеседнику, чтобы тот его услышал. Эти свойства звука полностью согласуются с общей теорией дифракции волн, на основе которой сравнительно просто решается вопрос об излучении звука для двух случаев.

Первый случай, когда линейные размеры плоского излучателя велики по сравнению с длиной волны звука. Тогда источник звука излучает плоскую волну, распространяющуюся в направлении, перпендикулярном к плоскости излучателя, в виде параллельного пучка.

Второй случай, когда линейные размеры источника звука малы по сравнению с длиной волны звука. Здесь излучатель по своим свойствам близок к точечному. Он излучает сферическую звуковую волну, распространяющуюся от него, как от центра излучения, во все стороны. Картина акустического поля здесь напоминает картину поверхностных водяных волн, распространяющихся кругами, если они вызваны камнем, брошенным в воду.

При всех других соотношениях между линейными размерами излучателя и длиной волны звука имеют место промежуточные случаи: источники звука излучают расходящийся пучок волн, который будет приближаться к параллельному, если размеры излучателя возрастают или длина волны уменьшается; при уменьшении же размеров излучателя или увеличении длины волны пучок будет все больше расходиться.

Для звуковых колебаний в слышимом диапазоне частот практически всегда справедлив второй случай. При сравнительно высокой частоте звука, равной 3 300 герц, длина волны равна 10 см, самой высокой частоте 15 000 герц соответствует длина волны около 2 см. Так как излучатели звука редко имеют размеры большие, чем несколько сантиметров, низкие частоты звука обычно излучаются в виде сферических волн, и только самые высокие частоты могут иметь некоторую направленность.

Как раз обратный случай имеет место при излучении ультразвука. Уже при частоте в 33 000 герц длина волны ультразвука равна 1 см. Поэтому здесь сравнительно легко сделать излучатель большим по сравнению с длиной волны и получить направленное излучение в виде слабо расходящегося пучка.

Второе отличительное свойство ультразвука – его большое затухание. Даже если ультразвук излучается параллельным пучком, его амплитуда весьма быстро уменьшается с расстоянием из-за больших потерь энергии в среде.

Величина затухания ультразвука характеризуется коэффициентом поглощения, который показывает меру уменьшения амплитуды звука в параллельном пучке с расстоянием. Обратная величина коэффициента поглощения звука дает то расстояние, на протяжении которого амплитуда звука убывает в три (точнее 2,71) раза. Чем больше коэффициент поглощения, тем меньше это расстояние, тем быстрее, следовательно, затухает звук. Но коэффициент поглощения звука пропорционален квадрату частоты. Следовательно, при увеличении частоты звука в 10 раз коэффициент поглощения возрастает в 100 раз. В 100 раз, следовательно, уменьшится и то расстояние, на котором амплитуда звука уменьшится в 3 раза.

Таким образом, ультразвук, у которого частота выше, чем у слышимого звука, должен затухать на значительно меньших расстояниях от источника, чем последний.

Следует также учесть, что при излучении звука трудно получить параллельный пучок. Поэтому здесь всегда будет иметь место уменьшение амплитуды еще и вследствие рассеяния. При низких частотах звука эта причина будет преобладать. Но при высоких частотах, а особенно при ультразвуке на больших расстояниях, рассеяние мало по сравнению с затуханием (поглощением).




Рекомендуем к прочтению



Здесь вы можете написать отзыв

* Текст комментария
* Обязательные для заполнения поля