Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Проект «Плазменные излучатели звуковых волн»

Инновационные проекты, получившие положительное заключение  экспертизы, организованной ГУНИД Минобороны.

Проект 10

Из описания проекта:

Инфразвуковые колебания действуют на живые организмы за счет возникновения резонанса, так как собственные частоты колебаний органов живых организмов находятся в инфразвуковом диапазоне:

  • сокращения сердца – 1…2 Гц;
  • дельта-ритм мозга (состояние сна) – 0,5…3,5 Гц;
  • тета-ритм мозга – 4…8 Гц;
  • альфа-ритм мозга (состояние покоя) – 8…13 Гц;
  • бета-ритм мозга (умственная работа) – 14…35 Гц.

Самым опасным считается промежуток инфразвуковых частот от 6 до 9 Гц. Значительные психотронные эффекты сильнее всего проявляются на частоте 7 Гц, созвучной тета-ритму природных колебаний мозга.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Согласно действующим нормативным документам для человека уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, Гц должны быть не больше 105 дБ.

В зависимости от силы инфразвукового воздействия могут возникать чувства страха, ужаса или паники и психозов на их почве до соматических расстройств (от расстройств органов зрения до повреждения внутренних органов, вплоть до летального исхода). Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах и благодаря большой длине волны инфразвуковые волны могут распространяться в воздухе, воде и в земной коре на большие расстояния.

Практически невозможно остановить инфразвук при помощи строительных конструкций на пути его распространения. Не эффективны также средства индивидуальной защиты.

Основные способы получения инфразвуковых волн большой мощности:

  1. акустический способ — резонансная труба длиной 10..20 м возбуждаемая механической «сиреной», в которой поток воздуха прерывается затвором с нужной частотой;
  2. использование объемных резонаторов Гельмгольца, при этом резонатор имеет меньшие размеры, чем резонансная труба;
  3. сложение двух совпадающих по фазе ультразвуковых сигналов большой мощности, излучаемых двумя разнесенными пьезокерамическими динамиками.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Для получения инфразвуковой волны использование резонансной трубы или резонатора Гельмгольца и любых других излучателей прямого преобразования электрической мощности в звуковую волну нерентабельно, поскольку в этом случае размеры излучателя инфразвуковой волны, например, частотой 19 Гц должны быть не менее 4,5 м в длину, а диаметр фокусирующего зеркала должен быть, как минимум в 10 раз больше линейного размера излучателя.

Поэтому при создании систем современного звукового (шумового) оружия разработчики предпочитают использовать пьезокерамические импульсные излучатели. Такие излучатели разработаны в США и применялись в Югославии и Ираке.

В данном проекте предложен механизм получения мощных звуковых колебаний, основанный на постоянно горящем низкотемпературном плазменном канале сверхвысокой частоты (СВЧ), на который накладывается электрическое воздействие в области звуковых частот.

Аналогов излучателей звуковых волн, использующих низкотемпературную плазму, нет.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Задачи, предлагаемые к решению в рамках проекта:

  • создание компактных плазменных излучателей, способных формировать звуковые колебания в инфразвуковом, акустическом и ультразвуковом участках диапазона звуковых волн в воздушной и водной средах;
  • разработка на основе плазменных излучателей макетных образцов инфразвуковой специальной техники, действующей на расстоянии по различным биообъектам и бортовому оборудованию техники.

Актуальность реализации проекта определяется необходимостью решения проблемы нейтрализации различных биообъектов (террористы и т.д.), использующих различного рода укрытия на земле, под землей и под водой.

В гражданской области результаты реализации проекта могут быть использованы для освобождения от ледяного покрова акваторий портов, нефтяных и газовых платформ в арктической зоне, доков ремонтных заводов и маршрутов движения судов, а также борьбы с биообъектами (грызуны и т.д.) при хранении различной продукции.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Во всех известных источниках звука для возбуждения звуковых волн используется движение твердой поверхности (мембрана, поверхности кристаллов, способных изменять свои размеры при воздействии приложенного к ним электрического поля — пьезоэлектрики, магнитострикционные преобразователи) или колебания газовых или водяных струй. Указанные источники звука не могут создавать интенсивные (более 105 дБ) звуковые волны в диапазоне инфразвуковых частот (1..25 Гц).

Несмотря на многочисленные исследования, ученым так и не удалось создать компактный макет мощного инфразвукового излучателя направленного действия из-за низкого КПД твердотельной мембраны и отсутствия дальнейшей возможности фокусировки и направленного излучения инфразвуковых колебаний из-за слишком большой длины волны.

Для создания звуковой волны большой амплитуды в проекте предлагается использовать плазменный шнур, возникающий внутри плазматрона в момент подведения к нему СВЧ мощности в импульсном режиме. Созданное устройство основано на постоянно горящем плазменном СВЧ канале, на который накладывается модулированное электрическое воздействие в различных областях звуковых частот.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

В результате электрического воздействия возникают поперечные колебания границ плазменного канала, порождающие появление звуковой (ударной) волны вокруг плазменного шнура, на частотах полосы модуляции.

При разработке устройства использовалась технология формирования излучения, позволяющая создавать в плазматроне управляемую низкотемпературную плазму.

Установлено, что при модуляции несущего сигнала СВЧ генератора короткими импульсами порядка 1..10 мкс (микросекунд) с крутым фронтом нарастания в области звуковых частот интенсивность выходных звуковых колебаний может достигать 30% преобразования в звук подведенной к генератору электрической мощности, которая в свою очередь может достигать десятков киловатт.

Благодаря безинерционности процесса колебания плазменного шнура звуковые колебания могут быть получены в очень широком диапазоне частот без искажений амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Такая линейность выходной АЧХ не может быть достигнута ни на одном ныне существующем звуковоспроизводящем устройстве.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Человеческая речь и музыка воспроизводятся практически без искажений.

Дальность распространения интенсивности звуковой волны, значительно превышающей болевой порог чувствительности человеческого уха, при модуляции короткими импульсами, длительностью 1..10 мкс на частоте 1..10 кГц может достигать до 1000 м.

Разработанная заявителем проекта лабораторная установка мощностью 2 кВт прошла экспериментальную проверку и имеет следующие технические характеристики:

  1. Выходной генератор СВЧ мощности — магнетронный.
  2. Несущая частота — 2,45 ГГц.
  3. Выходная СВЧ мощность — 2 кВт.
  4. Потребляемая мощность от сети 380В/50Гц (3 фазы) — 4,5 кВт.
  5. Охлаждение — водяное.
  6. Подведение СВЧ мощности — волноводное.
  7. Плазмообразующий газ — воздух (без предварительной осушки).
  8. Давление в системе воздухоподачи (не менее) — 2 атм.
  9. Длина плазменного канала (не более) — 100 мм.
  10. Объем плазменного шнура (не менее) -1,26*10-5 м.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе
  11. Длина излучающей поверхности (не более) — 50 мм.
  12. Площадь излучающей поверхности (не более) — 7,54*10-3 кв. м.
  13. Выходная мощность звука (не менее) — 90 дБ.
  14. Режим работы — непрерывный/импульсный.
  15. Метод фокусировки плазменного шнура — волноводно-резонансный.
  16. Режимы модуляции несущей частоты — амплитудная модуляция с изменяемой глубиной/ШИМ.
  17. Поддерживаемые классы усиления звукового сигнала — класс А, АВ, D.
  18. Количество электрических модулей в установке — 3 шт.
  19. Габариты основного силового модуля — 1x1x1 м.
  20. Общий вес установки — 320 кг.

Изготовленный действующий макет СВЧ плазменного источника звуковых колебаний с СВЧ генератором мощностью 2 кВт способен развивать мощность выходного звукового сигнала до 200 Вт. При общей площади излучающей поверхности плазмы 7,54*10-3 кв. м выходная мощность звука установки составляет примерно 90 дБ. Для достижения уровня громкости равного болевому порогу 130 дБ и выше создана установка, работающая на частоте 915 МГц с выходной мощностью 50 кВт (см.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе рис. 1). Длина излучающей поверхности плазменного шнура в ней составляет не менее 700..800 мм, а ее площадь не менее 0,42 кв. м.

Рис. 1 – Установка с выходной мощностью 50 кВт

Рис. 2 − Работа плазматрона с выходной мощностью 50 кВт на частоте 915 МГц

Разработка малогабаритных источников инфразвука, способных на расстоянии обеспечить уровни звукового давления более 105 дБ, является предпосылкой к созданию инфразвуковой специальной техники.

В предлагаемом устройстве реализован принцип модуляции «навязывания» звуковых частот на заранее заданную несущую, практически являющуюся когерентной волной, что позволяет использовать различные антенные системы, дающие возможность фокусировать и изменять диаграмму направленности звукового излучения.

Проблема фокусировки и направленности звуковой волны решается путем фокусировки не самого звука, а применения систем фокусировки СВЧ излучения, порождающего направленный плазменный шнур, являющийся в свою очередь источником звуковой волны.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Таким образом, в экспериментальном образце удалось на порядок повысить КПД источника звука путем ухода от каких-либо твердотельных мембран и перехода к системе передачи колебаний «плазма-окружающая среда».

В качестве перспективного направления в противодействии робототехническим системам (РТК) представляется возможным рассмотреть использование звуковых волн высокой интенсивности в определенном диапазоне частот для выведения из строя бортового оборудования РТК (двигателей, автопилотов, гироскопов и элементов MEMS). Подобные исследования по воздействию на гироскопы проводятся в Корейском передовом институте науки и техники, результаты которых представлены на конференции в Вашингтоне в августе 2015 года.

С целью уменьшения массогабаритных размеров инфразвукового устройства в проекте возможна разработка аналога созданной экспериментальной установки, который будет построен с использованием современной элементной базы. Предполагаемый экспериментальный образец будет размещаться в одном блоке с размерами, примерно 700x450x350 мм и иметь вес не более 20 кг.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Образец будет изготовлен полностью на отечественной элементной базе, без использования комплектующих компонентов изготовленных за рубежом.

В рамках проекта возможна реализация варианта использования
излучателей инфразвука в водной среде, например, для борьбы с различными
биообъектами, непилотируемыми подводными аппаратами или разрушения
(измельчения) льда в акватории портов, освобождения от пакового льда судов и
морских платформ (см. рис. 3).

Рис. 3 − Технологическая схема излучателя инфразвука в водной среде

Известно, что лед, в отличие от жидкой воды и водяного пара, является практически прозрачным для электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот, поэтому прямое воздействие на него направленными электромагнитными колебаниями ВЧ, УВЧ или СВЧ диапазонов не приведет к таянию. Лед также является хорошим диэлектриком, что не позволяет воздействовать на него прямым электрическим разрядом или воздействием ТВЧ. Резание же льда лазером требует огромных затрат энергии, а при учете толщины льда в северных широтах, делает это совершенно невозможным.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Даже если на поверхность толстого льда, подвергаемую электромагнитному воздействию, нанести поглощающую жидкость, то для того чтобы лед растаял, хотя бы до состояния трещины, необходимы будут огромные затраты энергии. В результате получается, что самым эффективным методом колки ледяных глыб больших размеров и толщины является механический метод воздействия, а точнее – удар.

Предлагаемая идея состоит в том, что толстые ледяные северные глыбы должны быть подвергнуты именно механическому воздействию, а точнее упругому звуковому удару. Звуковая волна должна приходить к толще ледяной поверхности из-под воды, где скорость распространения звука на много выше, площадь взаимодействия на много больше, а КПД передачи энергии на границе раздела сред значительно выше. Еще необходимо отметить, что нижние слои льда имеют пористую структуру, где поры и вакуоли льда заполнены соленой водой. При ударе звуковой волной в этих порах и вакуолях возникает дополнительный эффект кавитации, что усиливает разрушение.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Для создания звуковой волны большой амплитуды мы предлагаем использовать плазменный шнур, возникающий внутри плазматрона в момент подведения к нему СВЧ мощности в импульсном режиме. Не смотря на то, что исследования проводились в области низких (инфразвуковых) частот в газовой среде, разработанный плазматрон способен работать и в области высоких (ультразвуковых) частот с минимальными доработками электронной схемы модулятора (замена микросхем тракта усиления на более широкополосные).

Преимущества предлагаемых в проекте решений по сравнению с существующими подтверждаются результатами теоретических исследований и экспериментального подтверждения возможности создания сверхмощных звуковых колебаний с уровнями до 170 дБ на дальности до 1000 метров с помощью компактных устройств массой до 20 кг.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРТИЗЫ

Дата проведения экспертизы: октябрь 2017 г.

Экспертиза проводилась экспертами следующих организаций:

ФГБУН «Институт мониторинга климатических и экологических систем» СО РАН, ФГБУН «Институт физики атмосферы им.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе А.М.Обухова» РАН, ФГБУ «РАРАН», НИЦ (СОТИ СВ) ВУНЦ «ОВА ВС РФ», ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Вывод экспертизы:

Разработка плазменных излучателей звуковых волн в интересах Вооружённых Сил Российской Федерации в представленном виде нецелесообразна. Проект требует доработки по замечаниям экспертов.

Недостатки, рекомендации и замечания экспертов:

Представленный проект демонстрирует новый подход к генерации звуковых волн, основанный на постоянно горящем низкотемпературном плазменном СВЧ канале, на который накладывается электрическое моделирующее воздействие. Реализуемость создания плазменного генератора акустического излучения авторами проекта сомнений не вызывает.

Однако в представленных материалах отсутствуют полные характеристики разработанных образцов и результаты их испытаний, что не позволяет оценить проект в полной мере. Не приведены эксперименты по созданию инфразвукового излучения требуемой интенсивности. Не понятно, как предлагается обеспечить направленность акустического излучения путем фокусировки исходного СВЧ излучения, порождающего плазменный шнур.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Также вызывает сомнение возможность создания мощного (интенсивностью не менее 170 дБ) и при этом компактного излучателя.

В целом, в представленном виде проект не дает оснований на создание эффективного комплекса акустического оружия направленной энергии инфразвукового диапазона в интересах Сухопутных войск из-за низкого КПД по отношению к первичному источнику питания и отсутствия экспериментального подтверждения реализации его в инфразвуковом диапазоне частот.

Для дальнейшего рассмотрения реализации проекта в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации целесообразно увеличить КПД излучателя более 40% по отношению к первичному источнику питания и провести исследования на безопасность применения излучателя, его использование в водной среде.

2 апреля 2018г.  
Источник: ГУНИД Минобороны РФ


Справка 

Проработка проектов для достижения целей экспертизы проводилась несколькими методами, а именно эвристическим (заключения экспертов, организаций и заинтересованных органов военного управления), измерительным и регистрационным (проведение апробации или оценочных испытаний).Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Более 340 перспективных инновационных разработок и технологий предварительно были отобраны специалистами органов военного управления, научно-исследовательских организаций и военно-учебных заведений Минобороны России в период проведения форума «АРМИЯ-2017».

Посмотреть все проекты можно в блоге ГУНИД Минобороны на нашем сайте.

Звуковые волны. Инфразвук и ультразвук

С.И.КИРКОВА,

школа № 1138 СВАО, г. Москва

Выдержки из ученических проектов.
9-й класс

ШУМОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Сильный продолжительный и
особенно постоянный шум – скрытый и опасный враг
человека и других живых существ. Значительный и
продолжительный шум ограничивает
продолжительность труда, приводит к
преждевременному расстройству и разрушению
слухового аппарата, развитию
сердечно-сосудистых заболеваний (гипертонии,
аритмии), поражению нервной системы, язвенной
болезни и другим расстройствам.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Наиболее
распространённые симптомы шумового влияния –
раздражительность, рассеянность и, как
следствие, невроз. Шум обостряет хронические
заболевания. Любопытно, что во время сна шум
оказывает более негативное воздействие, чем в
часы бодрствования.

Воздействие шума на человека
определяется его уровнем (громкостью,
интенсивностью) и высотой составляющих его
звуков, а также продолжительностью воздействия.
Понятия «интенсивность» и «громкость шума»
принимаются в быту за синонимы, однако не совсем
тождественны: интенсивность – объективная
характеристика звука; громкость –
характеристика его субъективного восприятия.
Установлено, что громкость звука возрастает
гораздо медленнее, чем интенсивность. Уровень
шума выражается в логарифмической шкале, в
децибелах (дБ). 1 дБ – это десятая часть логарифма
отношения давления, которое оказывают звуковые
волны на барабанную перепонку уха, к предельно
низкому, ещё ощущаемому ухом давлению.

Минимальная интенсивность
звука, воспринимаемая ухом, называется порогом
слышимости.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Порог слышимости различен для
звуковых колебаний разных частот. Органы слуха
человека наиболее чувствительны к частоте 1000–3000
Гц. Верхнюю границу интенсивности звука, которую
человек ещё способен воспринимать, называют порогом
болевого ощущения. Шум 0 дБ создаёт зимний лес в
безветренную погоду. Шум 1 дБ еле уловим при
исключительно остром слухе. Шум от нормального
дыхания оценивается как 10 дБ, и такой уровень
принимают за порог слышимости людей с нормальным
слухом. Шёпот создаёт шум 20 дБ. Отдых и сон
считают полноценным, когда шум не превышает 25–30
дБ, в учреждениях и на предприятиях шум достигает
40–60 дБ. На шумных предприятиях шум достигает 70
дБ. Кратковременно допустим шум 80 дБ. Более
сильный шум вреден, болевой порог лежит обычно в
пределах 120–130 дБ, за которым возможно
повреждение слухового аппарата. Согласно
санитарным нормам, уровень шума около зданий
днём не должен превышать 55 дБ, а ночью (с 23 до 7
ч) 45 дБ, в квартирах соответственно 40 и 30 дБ.

В диапазоне слышимых
человеком звуков (от 16 до 20 000 Гц) самое
неблагоприятное воздействие на человека
оказывает шум, в спектре которого преобладают
высокие частоты (выше 800 Гц).Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Ультразвук (выше 20
кГц) и инфразвук (ниже 16–25 Гц) не воспринимаются
человеческим ухом, но они также могут оказывать
негативное влияние. По данным австрийских
исследователей, шум в больших городах сокращает
продолжительность жизни их жителей на 10–12 лет.
Поставлены опыты, которые доказывают, что
повышенный шум неблагоприятно влияет и на
развитие растений. Уровни шумов от различных
источников и реакция организма на акустические
воздействия приведены в таблице.

Для человека практически
безвреден шум 20–30 дБ, допустимая граница – 80 дБ,
130 дБ вызывают болевые ощущения, 150 дБ уже
непереносимы.

Суммарный шум от больших
транспортных потоков составляет 90–95 дБ (высокий
уровень) и стоит на магистралях почти
круглосуточно. От транспортного шума страдают
прежде всего жители городов, а также посёлков,
находящихся вблизи крупных автомагистралей,
железнодорожных путей и станций, морских и
речных портов, аэродромов, автопредприятий.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе
Уровень шума в домах вдоль главных магистралей
Москвы достигает 60 дБ. Самые шумные места – на
Садовом кольце. В часы пик шум от трамваев на
улицах превышает 77 дБ.

Транспортные средства создают
шум, дБ

Легковой
автомобиль……………………………………………. 65–80

Автобус…………………………………………………………………
80–85

Грузовой
автомобиль……………………………………………. 80–90

Мотоцикл……………………………………………………………..
90–95

Моторная
лодка……………………………………………………. 90–95

Поезд
метро………………………………………………………….. 90–95

Обычный
поезд……………………………………………………. 95–100

Самолёт на
взлёте.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе ……………………………………………… 110–130

Крупный реактивный
самолёт……………………………. 155–160

В настоящее время в ряде стран
установлены предельно допустимые уровни шума
для предприятий, отдельных машин, транспортных
средств. Например, к эксплуатации на
международных линиях допускаются самолёты,
создающие шум не выше 112 дБ днём и 102 дБ ночью.
Начиная с моделей 1985 г. максимально допустимые
уровни шума: для легковых автомобилей 80 дБ, для
автобусов и грузовых автомобилей в зависимости
от массы и вместимости соответственно 81–85 дБ и
81–88 дБ.

Особую опасность представляют
плееры и дискотеки для подростков. Скандинавские
учёные пришли к выводу, что каждый пятый
подросток плохо слышит, хотя и не всегда об этом
догадывается. Причина – злоупотребление
переносными плеерами и долгое пребывание на
дискотеках. Обычно уровень шума на дискотеке
составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума
интенсивного уличного движения или взлетающего
в 100 м турбореактивного самолёта.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Громкость звука
плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же
оглушительно работает отбойный молоток. Правда,
для рабочих в таких ситуациях предусмотрена
шумовая защита. Если ею пренебречь, то уже через 4
ч непрерывного грохота (в неделю) возможны
кратковременные нарушения слуха в области
высоких частот, а позднее появляется звон в ушах.

Здоровые барабанные перепонки
без ущерба могут переносить громкость плеера в 110
дБ максимум в течение 1,5 мин. Французские учёные
отмечают, что нарушения слуха в наш век активно
распространяются среди молодых людей; с
возрастом они скорее всего будут вынуждены
пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий
уровень громкости мешает концентрации внимания
во время умственной работы. Музыка, пусть даже
совсем тихая, снижает внимание – это следует
учитывать при выполнении домашней работы. Когда
звук нарастает, организм производит много
гормонов стресса, например, адреналин. При этом
сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа
кишечника.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе В дальнейшем всё это может привести к
нарушениям работы сердца и кровообращения. Эти
перегрузки – причина каждого по крайней мере
десятого инфаркта.

Первый симптом ухудшения
слуха называется эффектом званого ужина. На
многолюдном вечере человек перестаёт различать
голоса, не может понять, почему все смеются. Он
начинает избегать многолюдных встреч, что ведёт
к его социальной изоляции. Многие люди с
нарушением слуха впадают в депрессию и даже
страдают манией преследования.

Существуют методы борьбы с
шумом: хороши зелёные насаждения и шумозащитные
экраны для защиты малоэтажной застройки; для
защиты индивидуальных квартир применяют
стеклопакеты (окна с улучшенной звукоизоляцией)
либо заменяют стёкла на более толстые (при
двойном остеклении первые должны быть толщиной 4
мм, вторые – 6 мм).

ИНФРАЗВУК

Поющие пески. Есть на земле
места (отмели Кольского полуострова, долины рек
Вилюя и Лены, побережье Байкала), где обширные
площади движущихся песков звучат так, что
кажется, будто вокруг «поёт» вся пустыня.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе
Особенно громко пески поют на гребнях барханов и
дюн. В других местах звучат лишь небольшие
участки, песчаные косы и пляжи, подчас поросшие
кустарником. Порой звуки раздаются самые
неожиданные: то лай собаки, то звон натянутой
струны, то звучание органа, а то и рёв авиационных
двигателей. Жители города Никополя многократно
слышали звучание песка на косе речки Лапинки
(один из рукавов Днепра). Очень хорошо это пение
было слышно в 1952 г., особенно после дождя, когда
верхний слой песка слипался, а затем подсыхал,
образуя рыхлую корку. Когда по нему шли, он
издавал звуки, похожие на свист воздуха,
выпускаемого из автомобильной камеры.

На правом берегу реки Или, в
ста восьмидесяти двух километрах от Алма-Аты,
находится знаменитый Поющий бархан. Длина его
достигает двух километров, ширина –
полукилометра, а высота – ста пятидесяти метров.
Сложен он из чистого жёлтого песка, отливающего
золотом. Венчает бархан острый гребень. Песок тут
звучит, когда начинает осыпаться.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Что же заставляет пески
звучать? Некоторые учёные считают, что звук
рождается при трении множества песчинок друг о
друга. Песчинки покрыты тонким налётом
соединений кальция и магния, и звуки возникают
так же, как под скрипичным смычком, когда им
проводят по струнам, натёртым канифолью. Другие
полагают, что основная причина заключена в
движении воздуха в промежутках между песчинками.
Когда бархан осыпается, промежутки то
увеличиваются, то уменьшаются, воздух то
проникает в них, то выталкивается оттуда. Есть и
такое объяснение: звуки вызываются
электризацией песка. Благодаря трению песчинки
заряжаются разноимённо и начинают отталкиваться
одна от другой. А это порождает звуки, как при
обычном электрическом разряде. Советскому
учёному Я.В.Рыжко удалось искусственно получить
такой звучащий песок. Он взял обычный речной
песок, просушил, очистил от пыли, удалил из него
все посторонние примеси и затем наэлектризовал
при помощи обычной электрофорной машины. И песок
зазвучал – при нажиме рукой издавал скрипящие
звуки.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Гул песка (очень похожий на рёв
реактивного самолёта) можно объяснить следующим.
В любом бархане на небольшой глубине вследствие
конденсации влаги из воздуха образуется слой
уплотнённого влажного песка. Весной и осенью,
после дождей, он смыкается с поверхностным, тоже
влажным, слоем, – и тогда бархан становится
немым. Летом, в жару, песок сверху высыхает, под
ним остаётся влажный слой, а ещё ниже – снова
сухой. Когда по бархану течёт песчаная лавина, то
верхние слои песка, испытывая меньше трения,
обгоняют нижние, при этом возникает
своеобразная, хорошо заметная волнистость
поверхности. Она передаётся толчками на слои
влажного песка, и он, как дека музыкального
инструмента, резонирующая от колебания струны,
начинает вибрировать, издавая характерный гул.

Между прочим, когда такой
песок привозят для изучения в лабораторию, он
замолкает. Но если его поместить в герметично
закрытый сосуд, он снова начинает звучать.
Почему? Пока можно только высказывать
предположения.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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. В земной коре наблюдаются ИЗ-колебания,
возбуждаемые самыми разнообразными источниками,
в том числе землетрясениями, взрывами, обвалами и
даже транспортными средствами.

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе
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.

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе 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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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.

При землетрясениях и
подвижках земной коры генерируются волны трёх
типов: P, S, и L. P-волны (от англ.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе primary
– первичный) – продольные волны
сжатия-растяжения, распространяются на огромные
расстояния со скоростью звука в данной среде. S-волны
(от англ. secondary – вторичный) – поперечные,
они могут распространяться только в скальных
породах. L-волны (волны Лява, по имени
открывшего их учёного A.Love) подобны морским и
распространяются вдоль границ разных сред с
малой скоростью, зависящей от частоты. Волна
инфразвука, дойдя до поверхности Земли от центра
землетрясения, превращается в L-волну,
которая и вызывает наблюдаемые многочисленные
разрушения. Такие же, но более слабые, волны
возникают при подземных ядерных взрывах.

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе 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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе 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 ЛЦ ИКИ 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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе 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.

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе 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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе
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.

 

Применение ультразвука
Медицина

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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).Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе 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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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).Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

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.

Литература

Агранат Б.А. и др.
Основы физики и техники ультразвука.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе – М., 1987.

Баулан И. За барьером
слышимости. – М., 1971.

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

Хорбенко И.Г. Звук,
ультразвук, инфразвук. – М., 1986.

Хотунцев Ю.Л. Экология и
экологическая без-опасность. – М., 2002.

_____________________________________

Приводятся отредактированные
выдержки. Проект выполнили учащиеся 9-го класса Кира
Руденко и Алексей Медведев.

ИНФРАЗВУК • Большая российская энциклопедия

  • В книжной версии

    Том 11. Москва, 2008, стр. 495

  • Скопировать библиографическую ссылку:


Авторы: А.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе  В. Евтушенко

ИНФРАЗВУ́К, уп­ру­гие ко­ле­ба­ния и вол­ны, час­то­та ко­то­рых ле­жит ни­же не­ко­то­рой ус­лов­ной гра­ни­цы, оп­ре­де­ляе­мой в пре­де­лах 16–20 Гц. Этот диа­па­зон час­тот обыч­но свя­зы­ва­ют с ниж­ним пре­де­лом об­лас­ти слу­хо­во­го вос­при­ятия зву­ка че­ло­ве­ком. Од­на­ко опыт­ным пу­тём по­ка­за­но, что че­ло­ве­че­ское ухо спо­соб­но вос­при­ни­мать звук, ле­жа­щий ни­же ука­зан­ных час­тот. Кро­ме то­го, ге­не­ра­ция И. за­час­тую со­про­во­ж­да­ет­ся ге­не­ра­ци­ей волн низ­ких слы­ши­мых час­тот. По­это­му верх­няя гра­ни­ца ча­сто­ты И. яв­ля­ет­ся весь­ма ус­лов­ной. Ниж­няя гра­ни­ца ин­фра­зву­ко­во­го диа­па­зо­на с точ­ки зре­ния прак­тич. ин­те­ре­са про­сти­ра­ет­ся до 0,001 Гц.

Ис­то­ри­че­ски при­ня­то на­зы­вать И. низ­ко­час­тот­ные аку­стич. вол­ны в во­де и воз­ду­хе и низ­ко­час­тот­ные ко­ле­ба­ния в кон­ст­рук­ци­ях («ин­фра­зву­ко­вые виб­ра­ции»). Вол­ны же в тол­ще Зем­ли, в т. ч. и ин­фра­зву­ко­во­го диа­па­зо­на час­тот, от­но­сят к сейс­ми­че­ским вол­нам.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

При­род­ны­ми ис­точ­ни­ка­ми И. в ат­мо­сфе­ре яв­ля­ют­ся ме­тео­ро­ло­гич., сейс­мич. и вул­ка­нич. яв­ле­ния (зем­ле­тря­се­ния, бу­ри, ура­га­ны, гро­зо­вые раз­ря­ды, цу­на­ми и др.). Не­ко­то­рые жи­вот­ные (напр., сло­ны, тиг­ры) мо­гут ге­не­ри­ро­вать и ис­поль­зо­вать аку­стич. вол­ны ин­фра­зву­ко­во­го диа­па­зо­на час­тот. Ис­кусств. ис­точ­ни­ки И. не­по­сред­ст­вен­но свя­за­ны с дея­тель­но­стью че­ло­ве­ка (под­вод­ные и под­зем­ные взры­вы, про­лёт сверх­зву­ко­вых са­мо­лё­тов, стар­ты ра­кет и т. д.).

За­ту­ха­ние И. в сре­де вслед­ст­вие по­гло­ще­ния энер­гии весь­ма ма­ло. Напр., при вол­но­вод­ном рас­про­стра­не­нии в глу­бо­ком мо­ре оно со­став­ля­ет на час­то­тах 10–20 Гц все­го неск. де­ци­бел на 1000 км. Та­ко­го же по­ряд­ка за­ту­ха­ние И. ука­зан­ных час­тот в ат­мо­сфе­ре (на уров­не Зем­ли). На вы­со­те 100 км над Зем­лёй это за­ту­ха­ние воз­рас­та­ет при­мер­но в 106 раз, од­на­ко ин­фра­зву­ко­вые вол­ны час­то­той по­ряд­ка 0,01 Гц по­гло­ща­ют­ся очень сла­бо.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Из-за это­го И., рас­про­стра­няю­щий­ся в океа­не или в ат­мо­сфе­ре, мож­но об­на­ру­жи­вать на ог­ром­ных рас­стоя­ни­ях, что ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния мес­та про­ве­де­ния силь­ных взры­вов или пред­ска­за­ния та­ких сти­хий­ных бед­ст­вий, как цу­на­ми. Ин­фра­зву­ко­вой мо­ни­то­ринг вхо­дит в Ме­ж­ду­нар. сис­те­му мо­ни­то­рин­га не­санк­цио­ни­ро­ван­но­го про­ве­де­ния ядер­ных взры­вов в ат­мо­сфе­ре. В экс­плуа­та­цию вве­де­ны ин­фра­зву­ко­вые стан­ции, на ко­то­рых мо­гут ре­ги­ст­ри­ро­вать­ся сиг­на­лы, свя­зан­ные с при­род­ны­ми яв­ле­ния­ми и че­ло­ве­че­ской дея­тель­но­стью.

Слу­хо­вая сис­те­ма че­ло­ве­ка срав­ни­тель­но ус­той­чи­ва к воз­дей­ст­вию И.; да­же при вы­со­ких уров­нях зву­ко­во­го дав­ле­ния не воз­ни­ка­ет по­сто­ян­но­го сдви­га по­ро­га слы­ши­мо­сти. При­сут­ст­вие И. ста­но­вит­ся за­мет­ным лишь при уров­нях ин­тен­сив­но­сти, со­от­вет­ст­вую­щих или пре­вос­хо­дя­щих зна­че­ния бо­ле­во­го по­ро­га для зву­ко­вых час­тот.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе При­пи­сы­вае­мые мощ­но­му И. свой­ст­ва на­ру­шать у че­ло­ве­ка чув­ст­во рав­но­ве­сия и вы­зы­вать тош­но­ту прак­ти­че­ски не под­твер­жда­ют­ся в диа­па­зо­не его уров­ней 130–170 дБ.

Ин­тен­сив­ные виб­ра­ции твёр­дых тел с ин­фра­зву­ко­вой час­то­той ока­зы­ва­ют вред­ное дей­ст­вие на че­ло­ве­ка. При вер­ти­каль­ном виб­ра­ци­он­ном воз­бу­ж­де­нии че­ло­ве­ка на час­то­тах ме­нее 2 Гц те­ло дви­жет­ся как еди­ное це­лое. При по­вы­ше­нии час­то­ты воз­ни­ка­ет ре­зо­нанс­ное уси­ле­ние на час­то­тах, за­ви­ся­щих от час­ти те­ла, от ин­ди­ви­дуу­ма и его по­зы. Осн. ре­зо­нанс на­блю­да­ет­ся в об­лас­ти час­тот ок. 5 Гц; он свя­зан с фа­зи­ро­ван­ным пе­ре­ме­ще­ни­ем всех ор­га­нов брюш­ной по­лос­ти. При дей­ст­вии из­ме­не­ний дав­ле­ния воз­ду­ха на те­ло че­ло­ве­ка, чьи раз­ме­ры мень­ше дли­ны вол­ны, ткань ве­дёт се­бя как вяз­ко­уп­ру­гая жид­кость с су­ще­ст­вен­но мень­шей сжи­мае­мо­стью, чем воз­дух. Это при­во­дит к то­му, что б. ч. па­даю­щей энер­гии от­ра­жа­ет­ся.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Вся сис­те­ма дей­ст­ву­ет бо­лее жё­ст­ко, чем при од­но­сто­рон­нем виб­ра­ци­он­ном воз­бу­ж­де­нии, и воз­мож­ные ре­зо­нанс­ные яв­ле­ния на­сту­па­ют на бо­лее вы­со­ких час­то­тах (40–60 Гц).

Инфразвук — Физическая энциклопедия

ИНФРАЗВУК — упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верх, границу инфразвукового диапазона принимают 15-40 Гц; такое определение условно, поскольку при достаточной интенсивности слуховое восприятие возникает и на частотах в единицы Гц, хотя при этом исчезает тональный характер ощущения и делаются различимыми отд. циклы колебаний. Ниж. частотная граница И. неопределённа; в настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц. Т. о., диапазон инфразвуковых частот охватывает ок. 15 октав.
Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной среде, а также в земной коре (в этом случае их наз. сейсмическими и их изучает сейсмология). К И. относятся также низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, и в частности транспортных средств, зданий.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе
Осн. особенность И., обусловленная его низкой частотой,- малое поглощение. При распространении в
глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на неск. дб. Из-за большой длины волны на инфразвуковых частотах мало и рассеяние звука в естеств. средах; заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты — холмы, горы, высокие здания и др. Вследствие малого поглощения и рассеяния И. может распространяться на очень большие расстояния. Известно, что звуки извержений вулканов, атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара, сейсмические волны могут пересекать всю толщу Земли. По этим же причинам И. почти невозможно изолировать, и все звукопоглощающие материалы теряют эффективность на инфразвуковых частотах.
При теоретич. рассмотрении распространения И. в океане и атмосфере, модели к-рых представляют чаще всего в виде плоскослоистых сред, лучевая теория (см. Геометрическая акустика ),широко используемая для звукового и УЗ-дианазонов частот, делается менее точной, а на частотах ~1 Гц практически неприменимой.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе На этих частотах необходимо волновое рассмотрение инфразвуковых полей и изучение нормальных волн в океанич. и атм. волноводах.
Естеств. источниками И. являются метеорологич., сейсмич. и вулканич. явления. И. генерируется атм. и океанич. турбулентными флуктуациями давления, ветром, морскими волнами (в т. ч. приливными), водопадами, землетрясениями, обвалами, извержением вулканов. В океане вклад в шумовое инфразвуковое поле вносят изгибные колебания и температурное растрескивание ледового покрова, в атмосфере — грозовые разряды, полярные сияния.
Источниками И., связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолётов, удары копров, акустич. излучение реактивных двигателей и др. И. содержится в шуме двигателей и технол. оборудования (дизелей, компрессоров и др.), в шуме винтов кораблей, обтекания ветром крупных сооружений. Всякий очень громкий звук несёт с собой, как правило, и инфразвуковую энергию. Характерно, что излучением И.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе сопровождается процесс речеобразования. Вибрации зданий, создаваемые производств, и бытовыми возбудителями, как цравило, содержат инфразвуковые компоненты. Существ, вклад в инфразвуковое загрязнение среды дают транспортные шумы как аэродинамич., так и вибрац. происхождения.
Установлено, что И. с высоким уровнем интенсивности (120 дб и более) оказывает вредное влияние на человеческий организм. Ещё более вредными являются инфразвуковые вибрации, поскольку при их воздействии могут возникать опасные резонансные явления отд. органов. Мощный И. может вызывать разрушение и повреждение конструкций, оборудования. Вместе с тем И. вследствие большой дальности распространения находит полезное практическое применение при исследовании океанической среды, верхних слоев атмосферы, для определения места извержения или взрыва, при решении разнообразных задач связи и обнаружения. Инфразвуковые волны, излучаемые при подводных извержениях, позволяют предсказать возникновение цунами.
При исследованиях И. в качестве его источника чаще всего используют взрывы, поскольку излучатели звука обычного типа на инфразвуковых частотах громоздки и малоэффективны, обладают большой реактивной мощностью.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Для приёма И. применяют микрофоны, гидрофоны и геофоны, конструкция к-рых и усилит, электронная схема модифицированы применительно к относительно большим амплитудам колебаний принимаемых сигналов, низким частотам и большим выходным сопротивлениям приёмного элемента. Используются также спец. низкочастотные приёмники эл—хим., термистерного и оптич. типа.
Лит.: Акустика океана, под ред. Л. М. Бреховских, М., 1974 ; Infrasound and low frequency vibration, ed. by W. Tempest, L.- [a. o.], 1976; Pirn on ov L., Les infra-sons, P., 1976.
И. П. Голямина.

   
Предметный указатель 
>>

Фононика открывает новые возможности для управления звуком и тепловыми потоками

Фононика — раздел физики, занимающийся тонким управлением звуковыми, ультразвуковыми и тепловыми колебаниями в различных структурах. В отличие от акустики, активную роль тут играет сама среда, через которую распространяется колебание. Благодаря целому ряду достижений последних лет, в инструментарии экспериментальной физики появились необычные устройства, способные направлять упругие колебания среды в соответствии с желаниями физиков.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе На днях в журнале Nature вышла обзорная статья, посвященная этому разделу физики. Взяв за основу эту публикацию, мы кратко обрисовываем текущую ситуацию в этой области.

Спектр упругих волн и задача управления фононами

С точки зрения физики, звук — это колебательный процесс, и, как всякое колебание, он характеризуется своей частотой. На рис. 2 показан спектр частот звуковых волн. По аналогии со спектром электромагнитных колебаний, в нем можно выделить несколько диапазонов частот, которые по-разному воспринимаются человеком или сопровождаются разными процессами в веществе. Разделяющие их граничные значения частот не точные, а примерные, они лишь характеризуют типичный переход между явлениями разного типа.

  • Инфразвук — частоты ниже примерно 15 Гц, область звуковых колебаний, которую человек не воспринимает как звук.
  • Звук — доступный человеческому уху диапазон частот от 15 Гц примерно до 20 кГц; длина волны в воздухе — от 20 метров до полутора сантиметров.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе
  • Ультразвук — недоступные человеческому уху звуковые колебания с частотой от 20 кГц и примерно до 100 МГц; длина волны в воде — от 10 см и до десятков микрон. Благодаря малой длине волны (а значит, высокой разрешающей способности), а также технической простоте излучения и регистрации, ультразвук является основой огромного числа диагностических и исследовательских технологий. Отличное описание этой области по состоянию на конец 1970-х годов можно найти в томике «Ультразвук. Маленькая энциклопедия» 1979 года издания, давно ставшем раритетом.
  • Гиперзвук — ультразвуковые волны с частотами от 100 мегагерц до сотен гигагерц и длинами волн в микронном и субмикронном диапазоне. Характерная особенность таких волн — их неспособность распространяться в среде на макроскопические расстояния из-за сильного затухания. По той же причине их гораздо труднее исследовать экспериментально, чем обычные ультразвуковые волны. Однако усилия по их получению и регистрации оправданы из-за того, что они позволяют «прощупать» свойства материалов на субмикронном масштабе и на временных масштабах порядка наносекунды; см.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе , например, новость Разгадана тайна быстрого звука в воде, «Элементы», 13.12.2006. Упомянем также, что в русском языке слово «гиперзвук» часто применяют и в ином значении — так характеризуют летательные аппараты, движущиеся со скоростями, более чем впятеро превышающими скорость звука в воздухе (гиперзвуковые скорости). Эти два значения слова никак не связаны друг с другом.
  • Упругие колебания с частотами порядка терагерца и выше уже следует относить к тепловым колебаниям, а не к звуковым волнам. Длины волн приближаются к межатомным расстояниям, и дискретность вещества ограничивает эту шкалу сверху. Для звуковых волн в газе предел частот наступает гораздо раньше, см. задачу Максимальная громкость и высота звука.

Звуковые волны квантуются: волна заданной частоты, возбужденная в теле определенного размера, не может быть слабее некоторого минимального значения. Такой квант звука называется фонон, по аналогии с фотоном — квантом электромагнитного поля. Для подавляющего большинства ситуаций это квантование, а также связанные с ним квантовые законы несущественны.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Они могут оказаться важными либо в области сверхвысоких частот, то есть для тепловых фононов, либо в специфических обстоятельствах, например при вычислении теплоемкости кристалла или для описания акустического лазера — мощного источника когерентных фононов. Однако часто бывает удобно представлять и обычную звуковую волну в виде потока фононов, даже если каждый отдельный фонон слишком слаб для того, чтобы быть услышанным.

Законами распространения и свойствами звуковых волн занимается один из древнейших разделов физики — акустика. Однако во всех «классических» технических приложениях акустики среда, через которую распространяются упругие волны, играет пассивную роль. Она либо сама является объектом исследования, либо просто проводит волну от источника до нужного объекта. Управлять звуковой волной обычно трудно. Волна, конечно, может отражаться от границ раздела двух сред, а звук разной частоты может по-разному поглощаться стенкой. Но эти методы слишком «грубы» для тонкого управления потоком фононов, а тем более — потоками тепла.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Именно такими задачами занимается фононика — активно развивающийся раздел физики, который изучает распространение упругих колебаний в средах со сложной периодической структурой. Название этой области перекликается с электроникой и фотоникой — наукой об аккуратном, иногда даже «пофотонном», управлении потоками света. Аналогии на этом не заканчиваются. В фононике используются некоторые технические устройства и приемы теоретического описания, которые были позаимствованы из этих двух областей. В этой новости, вслед за опубликованной на днях в журнале Nature обзорной статьей Sound and heat revolutions in phononics, мы расскажем лишь о некоторых примерах, которые активно обсуждались или были реализованы в последние годы.

Фононные кристаллы и акустические метаматериалы

Прежде чем переходить к описанию конкретных примеров, нужно рассказать про два общих метода, с помощью которых удается заставить среду играть активную роль в управлении потоками звуковых волн. Главная идея — это пропускать звук через материал с регулярно чередующимися механическими свойствами.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Эта регулярность может быть строго периодическая, либо периодическая, но с модуляцией, но главное, чтобы период чередования был маленьким. Если он сравним с длиной звуковой волны, получается фононный кристалл, если много меньше ее, структура называется акустический метаматериал.

Фононный кристалл — это одно-, дву- или трехмерная периодическая структура, в которой шаг чередования сопоставим с длиной волны (рис. 3). Самый простой вариант — это периодическая слойка из двух материалов с разными упругими свойствами. Границы раздела между слоями резкие, поэтому звуковая волна хорошо отражается от них. Однако таких границ раздела очень много, поэтому отражения и многократные переотражения от всех границ интерферируют, то есть накладываются друг на друга. И вот это кардинальным образом сказывается на распространении звуковой волны сквозь такую периодическую структуру.

В однородном материале закон дисперсии примерно линеен — длина волны примерно пропорциональна периоду колебания; коэффициент пропорциональности (скорость волны) практически постоянен для самых разных длин волн.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе В фононном кристалле эта зависимость становится сильно нелинейной, а значит, скорость звуковой волны резко зависит от длины волны (рис. 4). Более того, в спектре фононов появляется «запрещенная зона» частот. Если попытаться в кристалл запустить звуковую волну с частотой, попадающей в эту зону, то она попросту не сможет в кристалл пролезть: частично отразится, а частично затухнет на глубине в несколько длин волн. Таким образом, кристалл не только меняет закон распространения звука, но и намертво заглушает его в определенном диапазоне частот. Этими свойствами фононный кристалл очень напоминает обычный кристалл с его разрешенными и запрещенными зонами для электронов проводимости, а также фотонный кристалл — периодическую структуру из прозрачных слоев, которая блокирует свет в некотором диапазоне частот.

Акустический метаматериал — это тоже периодическая структура из материалов с разными упругими свойствами, но только шаг чередования здесь намного меньше длины волны. Из-за этого звуковая волна распространяется так, словно она и не чувствует уже отдельных границ раздела, а вместо этого ощущает некую однородную «метасреду» с необычными упругими свойствами, которые можно настраивать.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Отражения волна уже не испытывает, зато она может изгибаться, отклоняться или просто обладать странным законом дисперсии.

Фононика: примеры устройств

Изготовление периодических структур

Масштабы описанных выше периодических структур зависят от диапазона частот, в которых они должны работать. Для демонстрации хороших характеристик они должны содержать как минимум несколько десятков периодов ячейки. Для фононных кристаллов это пересчитывается в несколько десятков длин волн, а для метаматериалов это могут быть и тонкие пластинки толщиной всего в пару длин волн.

В случае обычных звуковых волн одним из самых первых и самых красивых примеров фононных кристаллов стала скульптура Эусебио Семпере (Eusebio Sempere), установленная в Мадриде (рис. 1). В начале 90-х годов, когда физики заговорили про фононные кристаллы, испанские исследователи догадались, что эта скульптурная композиция тоже может иметь такие свойства. И действительно, измерения показали, что звук с частотой 1670 Гц сильно поглощается этой конструкцией — чем не наблюдение запрещенной зоны?

В середине 90-х физики принялись создавать и изучать такие кристаллы целенаправленно, уменьшая размеры элементов и уходя всё дальше в ультразвуковую область.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе На рис. 5 показаны изготовленные в 2004 году двумерные гексагональные кристаллы с шагом решетки 1,36 микрон и с запрещенной зоной вблизи 1 ГГц, то есть в гиперзвуковом диапазоне. Полезно, кстати, пояснить, что такие ровненькие структуры были получены не банальным сверлением наноотверстий, а с помощью техники интерференционной литографии, когда интерференция света задает на поверхности периодическую структуру, которая затем запечатлевается в фоторезистивном материале.

В случае трехмерных фононных кристаллов технология изготовления иная. Вместо вырезания полостей в исходном сплошном материале можно просто взять россыпь одинаковых микрошариков и укомпоновать их в тесную периодическую структуру. В 2006 году этот трюк был проделан для наночастиц диаметром в доли микрона, что тоже позволило выйти в гиперзвуковой диапазон. Поскольку производство и сортировка сферических наночастиц не представляет особой трудности, можно создавать трехмерные фононные кристаллы с настраиваемым положением и шириной запрещенной зоны.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Акустический диод

Три года назад на основе фононного кристалла удалось изготовить акустический диод — устройство, пропускающее звуковую волну только в одну сторону. Общая идея метода показана на рис. 6. Этот диод состоит из двух половинок — нелинейной акустической среды и фононного кристалла, — а подается на нее звук на такой частоте, которая попадает в запрещенную зону кристалла. Если эта звуковая волна вначале попадает в нелинейную среду, то как раз из-за нелинейности она частично превращается в волну удвоенной частоты (то есть на октаву выше). Далее эта комбинация волн переходит в фононный кристалл; исходная волна там поглощается, а волна на удвоенной частоте спокойно проходит вперед. Если же запустить начальную звуковую волну с другого торца, то она первым делом упрется в фононный кристалл и просто отразится назад. В этом случае на другом конце диода будет просто тишина. Подбирая параметры материалов, исследователи смогли добиться исключительно высокой однонаправленности звукового потока на заданной частоте — пропускные способности диода в направлении туда и обратно отличались в десять тысяч раз.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе

Толщина слоев в фононном кристалле в этой работе составляла 1 мм, так что функционировало оно в мегагерцовом диапазоне ультразвука. Это как раз рабочая область частот в многочисленных приложениях ультразвука, в том числе и медицинских, например, в ультразвуковой диагностике и в терапевтическом воздействии. С помощью матрицы из таких диодов можно будет создавать односторонние «звуковые зеркала» для фокусировки звуковых волн в нужном объеме (например, для усиленного терапевтического воздействия ультразвуком) и исключительно эффективные «звуковые экраны» для устранения звуковых помех при попытке «услышать» слабый отклик от исследуемой области (при ультразвуковой диагностике).

Если кому-то кажется неудобным, что в таком диоде приходится вдвое повышать частоту звука, то есть и другие варианты, в которых частота звуковой волны не изменяется. В одном из них используется двумерный фононный кристалл, который с одного торца является для звуковой волны гладким, а с другого торца — шероховатым.Длина волны инфразвук: Ультра и инфразвук в живой природе Попадая с гладкого торца, звуковая волна нужной частоты отражается, а попадая с шероховатой стороны — она проходит насквозь и лишь отклоняется вбок.

Таким образом, акустические диоды в ультразвуковом диапазоне уже продемонстрированы, они миниатюрны, обладают хорошими характеристиками, и, наконец, недороги и просты в изготовлении. Теперь на их основе можно конструировать «ультразвуковые выпрямители» и прочие устройства, внедрять их в используемые сейчас ультразвуковые методики и добиваться ощутимых практических результатов.

Экранировка от звуковых волн

Еще одно устройство, которое становится доступным благодаря развитию фононики — это своеобразная «шапка-неслышимка», этакий звуковой аналог оптического «плаща-невидимки». Так можно назвать некую специальную оболочку, которая при эхолокации не только бы прятала от посторонних «ушей» тело внутри себя, но и вообще никак не выдавало бы свое присутствие. Она послужила бы отличной звуковой маскировкой для подводных лодок; с помощью нее можно было бы достичь максимальной звукоизоляции от внешних шумов для ситуаций, в которых тишина критически важна.

Общий принцип работы этого устройства примерно одинаков для всех типов волн (рис. 7, слева). Фронт звуковой волны падает на тело, покрытое оболочкой из акустического метаматериала. Свойства материала подобраны так, чтобы не отражать звуковые волны, а плавно их разводить в стороны, обводить вокруг спрятанного тела, а затем смыкать их позади и превращать результат снова в плоский звуковой фронт. Если искажения в этом фронте отсутствуют, то при детектировании звуковой волны будет создаваться стойкое впечатление, что волна просто прошла сквозь пустую пассивную среду.

Техническая реализация этой идеи не так проста, но кое-какие успехи тут уже есть. Три года назад была реализована акустическая невидимость в области частот 52-64 кГц (ближний ультразвук) с помощью цилиндрической структуры, показанной на рис. 7, справа. Ячейки этой структуры соединены сложной сетью каналов, а сама структура погружена в воду. Проходящая звуковая волна порождает микроскопические течения внутри ячеек и каналов, и именно это вынужденное движение воды направляет фронт звуковой волны вокруг центрального тела.

Обводить можно не только звуковые волны в воде или воздухе, но и упругие волны, бегущие по поверхности твердого тела. Это тоже было экспериментально реализовано совсем недавно; см. некоторые подробности в заметке Видимо? Невидимо!. Такая технология очень пригодилась бы, например, для экранировки критически важных объектов от сейсмических волн.

Взаимодействие фотонов и фононов

Миниатюризация акустических устройств открывает новые возможности для взаимодействия между светом и звуком, или, в терминах отдельных квантов, — между фотонами и фононами. Конечно, это взаимодействие широко известно (существует даже отдельный раздел физики — акустооптика), и оно уже давным-давно используется в разнообразных приложениях. Однако теперь благодаря фононике можно изготавливать устройства, в которых одновременно удерживается акустическое и оптическое колебание (рис. 8). Взаимодействия между упругими колебаниями и световой волной легко настраиваются и могут быть использованы, например, для микроскопической радиоволновой диагностики упругих волн. Из-за небольших размеров это устройство можно целиком, вместе с детектором радиоволн, разместить прямо на чипе — это было бы изящным решением в духе общей идеи «лаборатории на чипе», которая постепенно развивается в самых разных областях естественных наук.

Управление тепловыми потоками

Наконец, было бы замечательно перенести все описанные выше достижения в область тепловых колебаний, то есть частоты порядка терагерц и выше. К сожалению, тут возникает несколько новых трудностей. Во-первых, раз длины волн составляют считанные нанометры и меньше, то и соответствующие структуры должны изготавливаться чуть ли не с атомарной точностью. В принципе, такие многослойные структуры (сверхрешетки) делать умеют, но технически это уже гораздо более трудоемкий процесс. Как на этом масштабе реализовать периодические структуры с более сложной геометрией и можно ли это сделать вообще — вопрос нетривиальный.

Во-вторых, тепловые фононы сильно взаимодействуют друг с другом и рассеиваются на дефектах. Именно по этой причине распространение тепла в твердом теле, в отличие от звука, описывается вовсе не тепловыми волнами, которые летят вперед с какой-то скоростью, а тепловой диффузией, то есть плавным замедляющимся «растеканием» тепла по телу. Управлять потоками тепловых фононов в таких условиях тоже очень непросто.

В-третьих, если звуковые волны можно издавать на одной частоте, то тепловые фононы обычно существуют в твердом теле сразу в очень широком диапазоне частот. Это дополнительно усложняет управление ими, ведь акустические устройства обычно оптимизированы лишь для некоторого частотного интервала.

Всё это приводит к тому, что попытки использовать описанные выше фононные устройства в области тепловых колебаний пока остаются не вполне удовлетворительными. Скажем, тепловые диоды — устройства, пропускающие тепло преимущественно в одну сторону, — были продемонстрированы еще в 2004 году и реализованы в 2006-м. Идея тут в том, что диод состоит из двух половинок с разными спектрами тепловых колебаний. Когда один определенный конец диода теплее другого, спектры перекрываются. Тепловые колебания на одном конце успешно превращаются в тепловые колебания на другом — происходит теплопередача. При обратном соотношении температур спектр не перекрывается, и тепловые колебания передаются с трудом. Технически это можно сделать с помощью асимметричной нанотрубки, одну половинку которой окутывают в специальную оболочку (рис. 9). Однако выигрыш такие устройства пока дают очень скромный; теплопередача в две стороны отличается максимум на несколько процентов.

Существуют также и попытки сделать нечто наподобие фононных кристаллов, но для тепла. Можно изготовить решетку с периодически расположенными наноотверстиями и пропускать через нее тепло. Недавние исследования показали, что таким способом удается подавить теплопередачу более чем в сто раз. Однако физический механизм тут совсем иной — тепловые фононы просто рассеиваются на этих наноотверстиях, которых в веществе слишком много для свободного распространения тепла. Это вовсе не похоже на запрещенную зону частот в настоящем фононном кристалле и вряд ли может считаться достижением фононики. Аналогичные проблемы возникают и при попытке реализовать тепловое экранирование по аналогии с описанной выше схемой для звука. Более подробный разбор современных методик фононики в управлении потоками тепла дан в другом недавнем обзоре: N. Li et al., 2011. Phononics: Manipulating heat flow with electronic analogs and beyond.

В принципе, совсем недавно был предложен новый класс фононных устройств, названных «термокристаллами». Идея тут проста: с помощью наночастиц и других дефектов добиться такого эффекта, чтобы тепловые фононы высоких частот рассеивались сильно (и значит, диффундировали медленно), а умеренно низкие частоты (скажем, в области 100–300 ГГц, на границе с гиперзвуком) проходили бы кристалл быстро. Тогда на выходе из кристалла был бы поток тепловых фононов в узком частотном диапазоне — этакие когерентные тепловые волны. В этом случае к ним можно было бы применить аналоги описанных выше устройств. Можно было бы попробовать реализовать эффективный тепловой диод и тепловое экранирование и добиться надежного управления тепловыми потоками на масштабе нанометров. Однако на сегодняшний день это лишь теоретические предположения; удастся ли эту идею реализовать экспериментально, пока неясно. Если прогресс действительно будет сделан, это откроет новые возможности как для задачи исследования вещества, так и для возможных технических приложений.

Источник: Martin Maldovan. Sound and heat revolutions in phononics // Nature. 14 November 2013. V. 503. P. 209.

См. также:
1) Ультразвук. Маленькая энциклопедия // М., «Советская энциклопедия», 1979.
2) T. Gorishnyy, M. Maldovan, C. Ullal, and E. Thomas. Sound ideas // Physics World (December 2005).
3) N. Li, J. Ren, L. Wang, G. Zhang, P. Hanggi, B. Li. Phononics: Manipulating heat flow with electronic analogs and beyond // Rev. Mod. Phys. 2012. V. 84. P. 1045–1066; статья также доступна как е-принт arXiv:1108.6120.

Игорь Иванов

Источник инфразвука в природе — Инженер ПТО

Ультразвук и инфразвук

Мы воспринимаем колебания частой от 20 до 20000 Гц, как звук. Но звук не ограничивается лишь диапазоном частот, который воспринимает человеческое ухо. В зоне с частотами ниже слышимых лежит оболасть инфразвука, а выше — ультразвука.

Ультразвук — упругие колебания среды, волны лежащие в диапазоне выше слышимой области звуков (от 20000 Гц).

Инфразвук — звуковые волны с частотой ниже, чем порог восприятия ухом человека (ниже 20 Гц).

Приведем весь спектр упругих волн в физике:

Ультразвук и инфразвук в природе

В естественной природе ультразвук и инфразвук распространены так же широко, как слышимый звук.

Например, ультразвук является компонентом спектра многих природных звуков: шум водопада, гром. Ультразвук быстро затухает в воздухе, но хорошо распространяется в жидких средах. Еще один пример — летучие мыши и некоторые грызуны, которые используют ультразвук в процессе охоты и ориентации в темноте. Киты и дельфины также генерируют ультразвуковые сигналы для различных целей: охота, ориентация в мутной воде.

Среди природных источников инфразвука: землетрясения, ураганы, удары молний. Многие животные чувствуют воздействие инфразвука и, фиксируя нарастающий инфразвуковой шум, уходят в укрытие, так как инфразвук — предвестник шторма или бури. Инфразвуковые сигналы в живой природе также используются некоторыми животными для общения: киты, слоны. Инфразвук распространяется на большие расстояния во всех средах и мало подвержен поглощению.

Применение ультразвука и инфразвука

Ультразвук известен людям давно, но лишь сравнительно недавно активно используется в медицине, производстве и научных исследованиях.

Источники получения ультразвука делятся на природные и техногенные. Среди способов получения ультразвука:

  1. Механические — струны, трубы, эластичные пластины.
  2. Термические — импульсный ток и электрические разряды в жидкостях и газах при постоянном повышении температуры.
  3. Отпические — лазер.

Инфразвук находит меньшее практическое применение и обладает негативными последствиями от воздействия на организм. При высоких уровнях инфразвука могут возникать чрезмерная утомляемость, сонливость, агрессия, ощущение давления в ушах. Воздействие инфразвука на человека особенно пагубно, если интенсивность инфразвука высокая. При уровне в 180—190 дБ действие инфразвука смертельно. Тем не менее, чувствительность каждого человека к инфразвуку индивидуальна, а обычные уровни инфразвука в повседневной жизни не могут нанести серьезного вреда здоровью.

Летучая мышь издает ультразвук частотой ϑ = 45 кГц и летит перпендикулярно стене со скоростью v = 6 м/с. Какова частота отраженного ультразвука, который услышит мышь? Скорость звука в воздухе принять равной с = 340 м/с.

Согласно с эффектом Доплера, частота отраженного звука определится соотношением:

ϑ 1 = с + v c — v ϑ = 340 + 6 340 — 6 45 · 10 3 = 46 , 6 кГц.

Звук — это физический процесс распространения упругих волн в среде, с одной стороны, а с другой — это психофизиологический процесс, связанный с первым процессом.3Гц.$

Генерировать ультразвук может и неживая природа. Он возникает при ветре, ультразвуковые частоты имеются в шуме водопада и звуках моря.

Технические устройства при своей работе способны издавать ультразвук, например, некоторые двигатели и станки.

Ультразвук получают целенаправленно с помощью генераторов ультразвука. Для того чтобы регистрировать и анализировать ультразвук используют пьезоэлектрические или магнитострикционные датчики.

Биологические последствия воздействия волн ультразвука

Биологические эффекты, которые способны вызывать ультразвуковые волны зависят от интенсивности, частоты и длительности воздействия. Если ультразвуковые волны имеют низкую интенсивность и ими облучают биологический объект, то возникает микровибрация на уровне клетки. При этом активизируются транспортные процессы, улучшаются процессы обмена в тканях, достигается положительный эффект. При увеличении интенсивности ультразвуковое давление может вести к повреждению молекул. При длительном воздействии ультразвука, например, на производстве у человека возникает повышенная утомляемость, сонливость, может наступить расстройство нервной системы.

Инфразвук

Инфразвуком называют упругие механические волны, имеющие частоты ниже частот слышимого человеком звука. Верхняя граница инфразвуковых волн 16-25 Гц, верхняя граница не определена.

Инфразвук мало поглощается в разных веществах, поэтому эти волны способны распространяться на большие расстояния.

Источники инфразвука

Инфразвук имеется в шуме атмосферы, деревьев в лесу и воды в море. В коре Земли можно детектировать инфразвуковые частоты от разных источников, например, обвалов, взрывов, работы транспорта.

Так называемый «голос моря» — это волны инфразвука, которые появляются над морской поверхностью, как результат образования вихрей за гребнями волн при сильном ветре. Так как инфразвук мало поглощается, то «голос моря» может распространяться на большие расстояния и достаточно большой скоростью. Это свойство инфразвука служит для предсказания шторма. Некоторые живые организмы способны воспринимать инфразвук. Так медузы имеют «инфа уши», которые слышат инфразвук, имеющий частоту 8-13 Гц. Если шторм находится ещё за сотни километров от берега и приблизится к нему почти через сутки, то медузы его уже слышат и уходят в глубину вод.

Источником инфразвука служат: ураган

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В РУПОРЕ НА ИНФРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТАХ

акустической мощности генератора при использовании катеноидального рупора. Для сравнения

характеристик рупоров различных форм Ф. Морз ввел коэффициент отдачи, равный отношению активной

части импеданса в горле рупора к удельному акустическому сопротивлению плоской волны.

Математическое выражение для коэффициента отдачи, характеризующего импеданс в горле рупора с

учетом отражения волн от устья, выведено в предложении, что устье рупора моделируется трубой,

снабженной бесконечным фланцем, что является недостатком предложенной методики расчета для

низкочастотного диапазона.

В теорию распространения волн в рупорах бесконечной и конечной длины существенный вклад внесли

работы Л. Я Гутина [3, 4]. В его работе рассмотрено распространение волн в рупорах: коническом,

экспоненциальном, параболическом. Решение для расходящейся волны внутри рупора записано через

функции Бесселя, что позволяет разграничить активную и реактивную часть импеданса. Для рупоров всех

трех указанных форм в приближении их конечной длины Л. Я. Гутин вывел математические выражения для

расчета коэффициента излучения, который, фактически, является введенным Ф. Морзе коэффициентом

отдачи и характеризует импеданс в горле рупора. Но у Л.Я. Гутина коэффициент излучения характеризует

только активную составляющую часть импеданса в горле. Этот коэффициент позволяет вычислить именно

полезную часть акустической мощности излучателя. Существенным моментом в работах Л.Я. Гутина

явилось то, что он дал решение задачи об излучении звука из рупоров, устье которых не снабжено

бесконечным экраном. В его работах модель устья — поршневая мембрана, излучающая одной стороной в

безграничную среду. Решение получено для пределов параметра 0,4 ≤ kR ≤ 2. Здесь k – волновое число, R –

радиус излучателя. Такие параметры характерны для инфразвукового диапазона частот.

Основные работы по исследованию излучения звука рупорами опубликованы в 30-е и 40-е годы, ряд

последних работ посвящен уже теории звукофикации помещений, аудиторий, концертных залов

громкоговорителями с обводами рупоров, выполненных по экспоненциальной форме [6, 9, 11, 14]. В

расчетах используется приближение бесконечного рупора из соображений, что излучение звука происходит

на частотах, когда отражение волн от устья рупора может не учитываться.

Предложенные теории не выявляли особенностей распространения акустических сигналов в

полостях рупоров на инфразвуковых частотах (ИЗ-частотах). Проблему эффективного излучения

звуков низких частот пытались решать введением ряда практических мероприятий. Так, в [13]

описан метод увеличения площади устья рупора за счет размещения его в углу комнаты. В работе

[13] представлены «гигантские» рупора.

В настоящее время не проведены исследования процессов, проходящих в горле рупора на частотах,

близких к критической частоте, когда необходимо рассматривать взаимодействие прямой и отраженной от

устья волны. Тем не менее работы эти представляют определенный интерес и необходимы при

практическом решении проблемы звукофикации помещений, аудиторий, залов.

Постановка проблемы

В основу теоретических представлений о распространении акустического сигнала на инфразвуковых

частотах в рупоре катеноидальной формы конечной длины положено знание о распространении волн в

трубах.

В рупоре конечной длины расходящаяся от узкого конца волна подвергается отражению в широком конце.

Наличие прямой и отраженной волны приводит к резонансным явлениям, наличие которых в расчетах

учитывается коэффициентом излучения (А.Г. Вебстер, Л.Я. Гутин). Вывод основной формулы для расчета

коэффициента излучения на основе теории рупора конечной длины, приведенной Вебстером, состоит в

решении уравнения через два линейно независимых решения.

В работе [13] составлен алгоритм, разработана на ЭВМ программа для расчета амплитудно-частотной

характеристики коэффициента излучения. Представлены графики изменения действительной и мнимой

частей коэффициента излучения в зависимости от частоты.

Анализируя характер кривых, можно сделать вывод, что процессы излучения рупорами бесконечной и

конечной длины резко отличны между собой, что определяется наличием отраженной волны от устья

рупора. Поэтому необходимо на основе экспериментов путем измерений получить величины колебательной

скорости, звукового давления, рассмотреть характер кривых изменения колебательной скорости и звукового

давления с частотой, построить фазовую характеристику. Затем провести анализ полученных результатов,

выявить явление резонансов и определить резонансные частоты. Это даст возможность узнать, на каких

частотах активная составляющая акустической мощности имеет максимальное значение. Что имеет

большое значение для анализа излучения сигналов на инфразвуковых частотах, когда активная

составляющая излучаемой мощности очень мала.

Microsoft Word — инфразвуковой обзор 013102

% PDF-1.6
%
1 0 obj> поток
application / pdf

  • Скотт Мастен
  • Microsoft Word — обзор инфразвука 013102
  • 2002-03-22T20: 55: 32ZMicrosoft Word: LaserWriter 8 8.7.12013-06-11T11: 05: 04-04: 002013-06-11T11: 05: 04-04: 00Acrobat Distiller 5.00 для Macintosh; изменено с помощью iText® 5.1.3 © 2000-2011 1T3XT BVBAuuid: 501ff7fb-8f92-42ad-aacc-bf3ac7a31e55uuid: 1b8499c4-3fb2-5145-b9b5-61c4122648be

    конечный поток
    эндобдж
    2 0 obj> / ProcSet [/ PDF / Text] / Font >>> / CropBox [0 0 612 792] / Parent 10 0 R / StructParents 1 / Rotate 0 / MediaBox [0 0 612 792] >>
    эндобдж
    3 0 obj> поток
    H | WMs8Gy˒) ˪JMUd7d \ c «!

    3 • Мир сквозь звук: длина волны

    Добро пожаловать в третью часть веб-серии« Мир сквозь звук », посвященной акустике сегодня, которая показывает, как понять всего несколько концепций в акустике может изменить то, как вы видите окружающий мир.В прошлый раз мы рассмотрели частоту и то, как взаимосвязь между частотой и временем для акустических волн может помочь развеять тайну принципа неопределенности квантовой механики. В этой статье мы объединим концепции двух последних статей о скорости и частоте звука, чтобы поговорить о длине волны и важности масштаба при работе с физикой.

    Длина волны — это размер волны, измеренный от пика к пику.

    Wavelength — одна из самых простых акустических концепций.Это просто размер волны, измеренный от одного пика к другому. Если представить звуковую волну как что-то вроде волны воды, то длина волны — это просто расстояние от гребня одной волны до следующего ближайшего гребня. Таким образом, если расстояние между двумя пиками равно 1 м, то длина волны равна 1 м. Между длиной волны, частотой и скоростью звука существует прямая зависимость. А именно, если мы знаем частоту (которая представляет собой количество повторений волны в секунду, часто указывается в герцах или Гц) и скорость звука (которая представляет собой скорость, с которой волна распространяется в метрах в секунду), то мы можем найти длину волны используя уравнение длина волны = скорость / частота.

    Другими словами, длина волны — это расстояние, которое проходит волна до начала следующей волны. Это означает, что при данной скорости звука по мере увеличения частоты время между повторениями уменьшается, а длина волны становится короче, и наоборот.

    Волны могут легко огибать небольшие объекты, в то время как более крупные объекты могут блокировать эти волны.

    Длина волны — это важная величина, которую нужно знать, пытаясь понять, как волны движутся по миру. Длинные волны огибают объекты, которые меньше их самих, в то время как короткие волны отражаются от тех же самых объектов или поглощаются ими.Таким образом, звук с длиной волны 3,4 см в воздухе (1000 Гц) не будет затруднен объектом диаметром менее 3,4 см, но более крупный объект может мешать или полностью блокировать эту волну.

    Часто люди говорят о «длинном» и «коротком», но что на самом деле подразумевается под этими терминами? » Как провести грань между этими, по общему признанию, нечеткими и весьма субъективными категориями? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны понять концепцию масштаба. Масштаб важен во всей науке, от биологии до физики, хотя не все дисциплины дают ему формальную трактовку.

    Масштаб относительный. Камешек, который может показаться огромным по сравнению с муравьем, будет крошечным рядом со слоном!

    Чтобы понять, как физик думает о масштабе, подумайте над вопросом: «Насколько велик камень в 1 дюйм (2,54 см)?» Если ваш ответ «не очень большой», значит, вы думаете как человек. Но представьте на секунду, что вы муравей. Эта скала может показаться холмом! Если бы вы были мышью, камень был бы похож на небольшой валун. Если вы человек, камень — это просто галька. А если бы вы были слоном, камень был бы похож на крошечный кусочек гравия.Однако масштаб применим не только к физическому размеру. Например, вы могли слышать о «геологической шкале времени», которая относится к периодам времени, которые достаточно продолжительны для наблюдения значительных изменений на самой Земле. Почти каждое количество может охватывать широкий диапазон, будь то расстояние, давление, время или даже деньги.

    Когда говорят о различиях в масштабе, чаще всего используется термин «порядок величины», что является еще одним способом сказать степень десяти. Если бы кто-то сказал, что что-то было «на порядок больше», на самом деле они говорят, что это в десять раз больше, чем то, с чем это сравнивают.Если что-то на два порядка больше, это будет в 100 раз больше. Порядок величины настолько важен, что является частью научного обозначения. Например, 5 000 000 000 метров (м) можно записать как 5,0 × 10 9 м, где 9 в показателе степени соответствует порядку величины. Знаменитый видеоролик, заказанный IBM, проходит через масштабы Вселенной по порядку величины, от самого большого до самого маленького.

    Хотя, безусловно, есть исключения, две величины считаются сопоставимыми, если они находятся в пределах одного порядка друг от друга.Помимо этого, мы описываем один как «намного больше» или «намного меньше», чем другой. Хотя это может показаться просто семантической разницей, во многих уравнениях физики, имеющие одну величину, намного меньшую или намного большую, заставляет математику очищаться до гораздо более простых форм, что соответствует гораздо более простому физическому поведению.

    Хотя масштаб важен во всей науке, есть несколько мест, где он более очевиден, чем длина волны и звук. Оказывается, длина волны слышимых звуков охватывает очень большой диапазон масштабов.На большом конце у вас есть низкочастотные волны с длиной волны до 17 метров (20 Гц), в то время как самые высокие частоты могут достигать 1,7 сантиметра (20000 Гц). Сравните это с длинами волн видимого света (430-790 нанометров), и вы не только обнаружите, что звук охватывает гораздо более широкий диапазон масштабов (четыре порядка величины), но также охватывает диапазон, который находится прямо на шкале человеческий опыт.

    В качестве примера того, как длина волны определяет поведение или звук, рассмотрим проживание в квартире с шумным соседом.Если этот сосед включит стереосистему, вы можете отчетливо услышать басы через стену. Басовые ноты низкочастотные, с очень длинными волнами. На самом деле длины волн настолько велики, что гипсокартон, отделяющий вас от музыки, будет считаться «очень тонким». С другой стороны, высокие ноты легко блокируются стеной, что приводит к «приглушенному» звуку, который часто ассоциируется с заблокированными источниками.

    Длина волны также определяет, насколько легко определить направление звука.Вы, возможно, слышали, например, что размещение сабвуфера в комнате не имеет большого значения для звуковой системы. Как часто описывают, «низкие частоты» не являются направленными. На самом деле это означает, что длины волн низких частот (которые могут составлять более метра) настолько велики, что голова слушателя намного меньше длины волны. В результате разница между звуком, принимаемым левым и правым ухом, очень мала, а разница в звуке, принимаемом двумя ушами, — это то, что мозг использует для вычисления направления звука.

    Размер имеет значение при разработке громкоговорителей. Маленькие колонки воспроизводят звук во всех направлениях, в то время как большие колонки транслируют звук конусом перед ними.

    Даже способ генерации звука зависит от длины волны. Для громкоговорителей, размер которых намного меньше длины волны, звук будет распространяться равномерно во всех направлениях. Это называется «всенаправленность». Когда громкоговорители становятся больше, они становятся более направленными, с громкоговорителями, которые очень велики по сравнению с длиной волны, выступающей в форме конуса перед ними.Это большая часть того, почему высококачественные акустические системы состоят из нескольких громкоговорителей (называемых драйверами). Размер каждого динамика выбирается в зависимости от длины волны звука, который он воспроизводит наилучшим образом, что гарантирует, что звуковая система может охватывать весь диапазон от 17 метров до 1,7 сантиметра.

    Конечно, хотя длина волны слышимых звуков относительно велика, она все же ограничена. Однако для звуков, выходящих за пределы слышимых частот, длины волн могут быть еще более экстремальными. Ультразвук (звуки, превышающие предел человеческого слуха на частоте ~ 20 кГц), имеет такие малые длины волн, что их отражение можно использовать для изображения крошечных структур внутри нашего тела или использовать летучие мыши и дельфины для обнаружения и различения объектов добычи.Инфразвук (обычно определяемый как частоты ниже нижнего предела человеческого слуха или 20 Гц), с другой стороны, может иметь такую ​​длину волны, что звуки необходимо измерять с помощью массивной сети датчиков, работающих в унисон

    Инфразвуковые волны могут быть настолько длинными, что для их измерения требуются огромные установки. Фото: ОДВЗЯИ.

    Диапазон масштабов, от размера наблюдаемой Вселенной до ширины одиночного нейтрона, составляет около 40 порядков величины (см. Видео выше).Хотя диапазон длин волн звука не так велик, диапазон, который он охватывает, важен для людей, и это диапазон, с которым мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни. В результате, внимательно прислушиваясь, мы можем услышать, как и «очень большой», и «очень маленький» изменяют пути распространения звуков в окружающем нас мире. Мы можем слышать, как толстая подушка поглощает все звуки, кроме самых глубоких, в то время как крошечный динамик может воспроизводить только самые высокие.

    Ожидайте, что длина волны будет подниматься снова и снова на протяжении всей этой серии.Это фундаментальная концепция с далеко идущими последствиями для всего, от того, что позволяет среде поддерживать звук, до того, что делает кольцо акустического резонатора. И в следующий раз, когда вы увидите этот термин, обратите внимание на такие фразы, как «порядок величины», «намного больше» и «намного меньше», потому что, когда речь идет о длине волны, масштаб решает все.

    Следующая статья…


    Андрей «Пи» Пыздек

    Эндрю «Пи» Пиздек — кандидат наук по акустической программе для аспирантов штата Пенсильвания.Исследовательские интересы Эндрю включают обработку сигналов от массивов и подводную акустику с акцентом на разреженные матрицы датчиков и геометрию взаимно простых матриц. Эндрю также добровольно проводит свое время, занимаясь распространением акустики и обучением в качестве участника дискуссии и модератора на популярном субреддите AskScience, а также курирует интересные новости по акустике для широкой аудитории на ListenToThisNoise.com.

    Контактная информация: [email protected]

    Infrasonics | физика | Britannica

    Инфразвуковые волны, колебательные волны или волны напряжения в упругих средах, имеющие частоту ниже частот звуковых волн, которые могут быть обнаружены человеческим ухом — i.е., ниже 20 герц. Диапазон частот простирается до геологических колебаний, которые совершают один цикл за 100 секунд или дольше.

    Британская викторина

    Викторина «Все о физике»

    Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

    В природе такие волны возникают при землетрясениях, водопадах, океанских волнах, вулканах и различных атмосферных явлениях, таких как ветер, гром и погодные условия. Расчет движения этих волн и прогноз погоды с использованием этих расчетов, помимо другой информации, является одной из серьезных проблем для современных высокоскоростных компьютеров.

    Отражение антропогенных сейсмических ударов помогло определить возможные местоположения источников нефти и природного газа.Характерные горные образования, в которых, вероятно, могут быть обнаружены эти минералы, могут быть идентифицированы с помощью ультразвукового измерения, в основном на инфразвуковых частотах. С помощью массива сейсмических детекторов может быть достигнута вычислительная форма голографии.

    Один из самых важных примеров инфразвуковых волн в природе — землетрясения. Существуют три основных типа волн землетрясений: S-волна, поперечная объемная волна; P-волна, продольная объемная волна; и L-волна, распространяющаяся по границе стратифицированных сред.L-волны, которые имеют большое значение в сейсмической инженерии, распространяются аналогично волнам на воде с небольшими скоростями, зависящими от частоты. S-волны являются поперечными объемными волнами и поэтому могут распространяться только в твердых телах, таких как скалы. P-волны — это продольные волны, похожие на звуковые волны; они распространяются со скоростью звука и имеют большой радиус действия.

    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
    Подпишитесь сейчас

    Когда P-волны, распространяющиеся от эпицентра землетрясения, достигают поверхности Земли, они преобразуются в L-волны, которые затем могут повредить поверхностные структуры.Большой диапазон P-волн делает их полезными для идентификации землетрясений с точек наблюдения, находящихся на большом расстоянии от эпицентра. Во многих случаях самому сильному толчку от землетрясения предшествуют более мелкие толчки, которые могут быть обнаружены сейсмографами и обеспечивают заблаговременное предупреждение о грядущем более сильном толчке. Подземные ядерные взрывы также производят P-волны, что позволяет наблюдать за ними из любой точки мира, если они имеют достаточную интенсивность. Разработка чрезвычайно чувствительных детекторов для отслеживания таких взрывов способствовала поддержанию Договора о запрещении ядерных испытаний, который был подписан в 1963 году и запрещал все испытания ядерного оружия, кроме проводимых под землей, чтобы ограничить количество радиоактивных осадков в Атмосфера.

    Инфразвуковые возмущения атмосферы, которые могут распространяться на 50 км (30 миль) над поверхностью Земли, часто связаны с сильными землетрясениями. Эти волны могут перемещаться по земному шару на значительные расстояния.

    Восприятие человеком низкочастотных звуковых волн, распространяющихся в воздухе, не имеет четко определенной точки отсечки. Звуковые волны с частотой выше 18 Гц имеют тональность; ниже этой частоты можно различить отдельные волны сжатия. Вождение автомобиля с открытым окном может вызвать инфразвуковой резонанс.Звуковой удар сверхзвукового самолета содержит значительные уровни инфразвука. При определенных обстоятельствах профессиональное воздействие инфразвука может быть серьезным: трансформаторные помещения, компрессорные станции, машинные отделения, кондиционеры и воздуходувки в зданиях могут создавать чрезвычайно высокие уровни и вызывать дискомфорт. Исследования показали, что многие люди испытывают побочные реакции на большие интенсивности инфразвуковых частот, развивая головные боли, тошноту, нечеткость зрения и головокружение. Механизмы, с помощью которых инфразвук может восприниматься людьми, и их физиологические эффекты изучены не полностью.

    Ряд животных чувствительны к инфразвуковым частотам, как указано в таблице. Многие зоологи считают, что эта чувствительность у таких животных, как слоны, может быть полезной для раннего предупреждения землетрясений и погодных явлений. Было высказано предположение, что чувствительность птиц к инфразвуку помогает им в навигации и даже влияет на их миграцию.

    Диапазон частот слуха человека и других избранных животных
    животное частота (герцы)
    низкий высокая
    человек 20 20 000
    кошки 100 32 000
    собак 40 46 000
    лошадей 31 40 000
    слоны 16 12 000
    КРС 16 40 000
    бит 1 000 150 000
    кузнечики и саранча 100 50 000
    грызунов 1 000 100 000
    киты и дельфины 70 150 000
    тюлени и морские львы 200 55 000

    Инфразвуковой звук

    Термин «инфразвук», применяемый к звуку, относится к звуковым волнам ниже частот слышимого звука и номинально включает все, что ниже 20 Гц.

    Источники инфразвука в природе включают вулканы, лавины, землетрясения и метеориты. Извержение вулкана Фуэго в Гватамале произвело инфразвуковой звук мощностью более 120 децибел в диапазоне ниже 10 Гц. Измерения на горе Эребус, действующем вулкане в Антарктиде, обнаружили очень сильные ультразвуковые звуки, в то время как слышимые звуки были ничем не примечательными. Звуковые мониторы на вулкане Сакурадзима в Японии измеряли резкие сигналы непосредственно перед извержением. Океанские штормы и волны генерируют много инфразвука.Ранние исследования инфразвука ураганов дают некоторую надежду на расшифровку инфразвуковой сигнатуры надвигающегося урагана.

    Мониторинг инфразвука кажется одним из лучших способов обнаружения ядерных испытаний в атмосфере. По состоянию на 2004 год таких станций мониторинга было 24 из запланированных 60. Хотя ядерных испытаний не было обнаружено, в 2003 году 10 станций в США и Канаде наблюдали за взрывом космического корабля «Колумбия». Станция в Фэрбенксе, Аляска, обнаружила взрыв динамита в пяти милях от детектора.

    Инфразвуковые детекторы

    используются в Тетон Пасс, Вайоминг, для обнаружения частых сходов лавин и отправки предупреждающих сигналов.

    Ряд животных издают и используют звуки инфразвукового диапазона. Урчание слонов, по измерениям, имело частоту всего 14 Гц, которую можно было обнаружить на расстоянии 10 км. Наблюдения за поведением слонов показывают, что они отреагировали на волны, проходящие через землю, до того, как услышали их в воздухе — это правдоподобно, поскольку волны распространяются быстрее в твердом материале.Киты и носороги издают очень низкочастотные звуки. Нелетающие казуары Папуа-Новой Гвинеи и Австралии издают низкочастотные звуки около 23 Гц.

    Явления полярных сияний генерируют инфразвук за счет расширения воздуха, сопровождающего электрические разряды.

    Инфразвук — обзор | Темы ScienceDirect

    3.3.4 Информативные факторы взаимодействия геофизических полей

    Рассмотрено влияние метеорологических условий на распространение инфразвука, генерируемого сейсмическими вибраторами CV-40 и CV-100.В частности, под действием ветра имеет место явление пространственной фокусировки акустических колебаний, при котором максимальное акустическое давление p достигается при совпадении направлений фронтов распространения колебаний от вибратора и ветра.

    Проведены численные расчеты для оценки эффектов направленности поля акустических волн инфранизкочастотных источников в движущейся среде, то есть на фоне ветра, характеризуемого направлением и скоростью.В модели рассматривался точечный источник инфразвука, расположенный на высоте h над поверхностью Земли. Поверхность Земли считалась плоской, а атмосфера — слоистой и неоднородной.

    Скорость звука и ветра зависели только от вертикальной координаты, а скорость ветра имела только горизонтальные составляющие. На инфранизких частотах справедливо лучевое приближение распространения звука, а изменение интенсивности звука основано на предположении о геометрической расходимости луча.В прямоугольной системе координат ось z направлена ​​вверх от поверхности Земли, а направление оси x на высоте h совпадает с направлением ветра. Начальное направление луча характеризуется сферическими θ (зенитным углом) и φ (азимутальным углом). Последний отсчитывается от направления x, которое соответствует направлению ветра.

    Эффект направленности акустического поля характеризуется коэффициентом фокусировки (Бреховских, 1973; Разин, 1982), который представляет собой отношение интенсивности инфразвука в неоднородной движущейся среде к ее интенсивности в неподвижной среде:

    (3.3.3) f = I [z, θ, φ] I0.

    где I (z, θ, φ) = (Wac02ξ / 4πc4t2cosθ) × [1 + 2 (w0 / c0) sinθcosφ − 2η]; I0 = Wa / 4π [x2 + y2 + (z − h) 2]; W a — источник питания.

    Уравнение для коэффициента фокусировки имеет следующий вид:

    (3.3.4) f = c02ξ [x2 + y2 + (z − h) 2] c4t2cosθ [1 + 2 (w0c0) sinθcosφ − 2η],

    где c — скорость звука в неподвижной среде, c0 = c (h) — модуль лучевой скорости, w 0 — скорость ветра вдоль оси x, t — время распространения звука вдоль луча.Выражения для ξ и η следующие:

    ξ = [1− (cc0) 2sin2θ − 2η + 2 (w0c0) (cc0) 2sinθcosφ] 1/2,

    , где η = (1 / c0) sinθ (wxcosφ + wysinφ).

    Эффект пространственной фокусировки рассматривается ниже для случая прямого поверхностного распространения акустической волны в пределах первых десятков километров. Рассмотренный случай прямого распространения волны соответствует теоретически рассчитанным высотным профилям распространения инфразвуковой волны, показанным на рис. 3.3.3. Такой обзор проводится для сравнения результатов натурных и численных экспериментов.На рис. 3.3.5 показаны расчетные и экспериментальные зависимости коэффициента фокусировки от азимута точки наблюдения. Здесь результаты численных расчетов представлены в виде сплошных графиков для заданных скоростей 4 и 6 м / с, а результат натурного эксперимента — в виде штриховой кривой для скорости ветра 4–6 м. / с. В обоих случаях высота источника составляет 5 м, а радиус кругового расположения датчиков — 12 км.

    Рисунок 3.3.5. Зависимость коэффициента фокусировки от азимута точки наблюдения: результаты численного моделирования — кривые с указанными скоростями.Высота источника: 5 м; результат экспериментов — штриховые кривые: для радиуса 12 км и скорости ветра 4–6 м / с.

    Звуковые волны | PASCO

    Что такое звук

    В физиологии звук возникает, когда вибрации объекта проходят через среду, пока не попадают в барабанную перепонку человека. В физике звук создается в виде волны давления. Когда объект вибрирует, он заставляет молекулы окружающего воздуха вибрировать, инициируя цепную реакцию колебаний звуковой волны во всей среде.В то время как физиологическое определение включает восприятие звука субъектом, физическое определение признает, что звук существует независимо от восприятия человеком.
    Вы можете узнать этот раздел из нашего сообщения в блоге «Что такое звуковая волна в физике?» Продолжайте читать, чтобы подробнее узнать о звуковых волнах.

    Типы звуков

    Есть много разных типов звука, включая слышимый, неслышимый, неприятный, приятный, тихий, громкий, шум и музыку. Вы, вероятно, найдете звуки, издаваемые пианистом, мягкими, слышимыми и музыкальными.И хотя звук дорожных работ рано утром в субботу тоже слышен, он определенно не из приятных или мягких. Другие звуки, такие как свист собаки, не слышны человеческому уху. Это связано с тем, что собачий свист производит звуковые волны, которые находятся ниже диапазона человеческого слуха от 20 Гц до 20 000 Гц. Волны ниже 20 Гц называются инфразвуковыми волнами (инфразвук), а более высокие частоты выше 20 000 Гц известны как ультразвуковые волны (ультразвук).

    Инфразвуковые волны (Инфразвук)

    Инфразвуковые волны имеют частоты ниже 20 Гц, что делает их неслышными для человеческого уха.Ученые используют инфразвук для обнаружения землетрясений и извержений вулканов, для картирования подземных горных пород и нефтяных образований, а также для изучения активности человеческого сердца. Несмотря на нашу неспособность слышать инфразвук, многие животные используют инфразвуковые волны для общения в природе. Киты, бегемоты, носороги, жирафы, слоны и аллигаторы — все используют инфразвук для связи на впечатляющих расстояниях — иногда на сотни миль!

    Ультразвуковые волны (ультразвук)

    Звуковые волны с частотой выше 20,00 Гц производят ультразвук.Поскольку ультразвук происходит на частотах за пределами диапазона человеческого слуха, человеческое ухо не слышит его. Ультразвук чаще всего используется медицинскими специалистами, которые используют сонограммы для исследования внутренних органов своих пациентов. Некоторые менее известные применения ультразвука включают навигацию, визуализацию, смешивание образцов, обмен данными и тестирование. В природе летучие мыши излучают ультразвуковые волны, чтобы определять местонахождение добычи и избегать препятствий.

    Как производится звук?

    Звук издается, когда объект вибрирует, создавая волну давления.Эта волна давления заставляет частицы в окружающей среде (воздух, вода или твердое тело) совершать колебательные движения. Когда частицы вибрируют, они перемещают соседние частицы, передавая звук дальше через среду. Человеческое ухо улавливает звуковые волны, когда вибрирующие частицы воздуха вызывают колебания мелких деталей внутри уха.

    Во многих отношениях звуковые волны похожи на световые. Оба они происходят из определенного источника и могут распространяться или рассеиваться различными способами. В отличие от света, звуковые волны могут распространяться только через среду, такую ​​как воздух, стекло или металл.Это значит, что в космосе нет звука!

    Как распространяется звук?

    Средние

    Прежде чем мы обсудим, как распространяется звук, важно понять, что такое среда и как она влияет на звук. Мы знаем, что звук может распространяться через газы, жидкости и твердые тела. Но как они влияют на его движение? Звук наиболее быстро распространяется через твердые тела, потому что его молекулы плотно упакованы вместе. Это позволяет звуковым волнам быстро передавать колебания от одной молекулы к другой.Звук движется в воде аналогичным образом, но его скорость более чем в четыре раза выше, чем в воздухе. Скорость звуковых волн, движущихся в воздухе, может быть дополнительно снижена за счет высоких скоростей ветра, которые рассеивают энергию звуковой волны.

    Среды и скорость звука

    Скорость звука зависит от типа среды, через которую проходят звуковые волны. В сухом воздухе при 20 ° C скорость звука составляет 343 м / с! В морской воде комнатной температуры звуковые волны распространяются со скоростью около 1531 м / с! Когда физики наблюдают возмущение, которое распространяется быстрее, чем местная скорость звука, это называется ударной волной.Когда сверхзвуковой самолет пролетает над головой, может наблюдаться локальная ударная волна! Как правило, в более теплых условиях звуковые волны распространяются быстрее. Как вы думаете, как это повлияет на скорость звуковых волн в океане, когда океан нагревается из-за глобального климата?

    Распространение звуковых волн

    Когда объект вибрирует, он создает кинетическую энергию, которая передается молекулами в среде. Когда вибрирующая звуковая волна входит в контакт с частицами воздуха, кинетическая энергия передается ближайшим молекулам.Когда эти возбужденные молекулы начинают двигаться, они активизируют другие молекулы, которые повторяют этот процесс. Представьте себе обтягивающего человека, спускающегося по лестнице. При падении с лестницы движение обтяжки начинается с расширения. Когда первое кольцо расширяется вперед, оно тянет вперед кольца позади себя, вызывая волну сжатия. Эта цепная реакция толкания и тяги заставляет каждое кольцо катушки обтягивания смещаться из своего исходного положения, постепенно передавая исходную энергию от первой катушки к последней.Сжатие и разрежение звуковых волн подобны толканию и вытягиванию катушек в обтяжке.

    Сжатие и разрежение

    Звуковые волны состоят из моделей сжатия и разрежения. Сжатие происходит, когда молекулы плотно упакованы вместе. В качестве альтернативы разрежение происходит, когда молекулы удалены друг от друга. Когда звук проходит через среду, его энергия заставляет молекулы двигаться, создавая чередующиеся модели сжатия и разрежения.Важно понимать, что молекулы не движутся со звуковой волной. По мере прохождения волны молекулы получают энергию и перемещаются из своих исходных положений. После того, как молекула передает свою энергию соседним молекулам, движение молекулы уменьшается, пока на нее не воздействует другая проходящая волна. Передача энергии волной — это то, что вызывает сжатие и разрежение. При сжатии давление высокое, а при разрежении — низкое. Разные звуки создают разные модели изменений высокого и низкого давления, что позволяет их идентифицировать.Длина волны звуковой волны складывается из одного сжатия и одного разрежения.

    Звуковые волны теряют энергию при прохождении через среду, что объясняет, почему вы не слышите людей, говорящих на большом расстоянии, но вы можете слышать их шепот поблизости. Когда звуковые волны движутся в пространстве, они отражаются такими средами, как стены, столбы и камни. Это звуковое отражение более известно как эхо. Если вы когда-нибудь были в пещере или каньоне, вы, вероятно, слышали, как ваше эхо распространяется намного дальше, чем обычно.Это связано с тем, что большие каменные стены отражают ваш звук друг от друга.

    Типы волн

    Итак, какой тип волны является звуковой? Звуковые волны делятся на три категории: продольные волны, механические волны и волны давления. Продолжайте читать, чтобы узнать, что их квалифицирует как таковые.

    Продольные звуковые волны

    Продольная волна — это волна, в которой движение частиц среды параллельно направлению переноса энергии. Звуковые волны в воздухе и жидкостях — это продольные волны, потому что частицы, переносящие звук, колеблются параллельно направлению распространения звуковой волны.Если вы толкаете обтяжку вперед и назад, катушки будут двигаться параллельно (вперед и назад). Точно так же при ударе по камертону направление звуковой волны параллельно движению частиц воздуха.

    Механические звуковые волны

    Механическая волна — это волна, которая зависит от колебаний вещества, что означает, что она передает энергию через среду для распространения. Эти волны требуют первоначального ввода энергии, которая затем проходит через среду до тех пор, пока не будет эффективно передана начальная энергия.Примеры механических волн в природе включают водные волны, звуковые волны, сейсмические волны и внутренние водные волны, которые возникают из-за разницы в плотности в водоеме. Есть три типа механических волн: поперечные волны, продольные волны и поверхностные волны.

    Почему звук — это механическая волна? Звуковые волны движутся по воздуху, вытесняя частицы воздуха в цепной реакции. Когда одна частица смещается из положения равновесия, она толкает или притягивает соседние молекулы, заставляя их смещаться из положения равновесия.Поскольку частицы продолжают перемещать друг друга с помощью механических колебаний, возмущение распространяется по среде. Эти межчастичные механические колебания звуковой проводимости квалифицируют звуковые волны как механические волны. Звуковая энергия или энергия, связанная с вибрациями, создаваемыми вибрирующим источником, требует перемещения среды, что превращает звуковую энергию в механическую волну.

    Беспроводной датчик звука

    Беспроводной датчик звука включает в себя два основных датчика в одном портативном корпусе: датчик звуковой волны для измерения относительных изменений звукового давления и датчик уровня звука со шкалами, взвешенными как в дБА, так и в дБВ.Благодаря отчетности в реальном времени и широкому диапазону дисплеев (БПФ, осциллограф, цифры) простой дизайн беспроводного датчика звука упрощает его использование для вводных звуковых исследований, а его встроенная память и надежные программные функции поддерживают исследования более высокого уровня в области науки. звука.

    Звуковые волны давления

    Волна давления или волна сжатия имеет регулярную структуру областей высокого и низкого давления. Поскольку звуковые волны состоят из сжатий и разрежений, их области колеблются между моделями низкого и высокого давления.По этой причине звуковые волны считаются волнами давления. Например, когда человеческое ухо принимает звуковые волны из окружающей среды, оно определяет разрежения как периоды низкого давления и сжатия как периоды высокого давления.

    Поперечные волны

    Поперечные волны движутся с колебаниями, перпендикулярными направлению волны. Звуковые волны не являются поперечными волнами, потому что их колебания параллельны направлению переноса энергии; однако звуковые волны могут становиться поперечными при очень определенных обстоятельствах.Поперечные волны или поперечные волны распространяются с меньшей скоростью, чем продольные волны, а поперечные звуковые волны могут быть созданы только в твердых телах. Океанские волны — самый распространенный пример поперечных волн в природе. Более наглядный пример может быть продемонстрирован путем покачивания одной стороны струны вверх и вниз, в то время как другой конец закреплен (см. Видео о стоячих волнах ниже). Все еще немного запутались? Посмотрите визуальное сравнение поперечных и продольных волн ниже.

    Визуальное сравнение продольных и поперечных волн.

    Как создать стоячие волны

    С помощью струнного вибратора, генератора синусоидальной волны и стробоскопической системы PASCO учащиеся могут создавать, манипулировать и измерять стоячие волны в реальном времени. Генератор синусоидальной волны и струнный вибратор работают вместе, чтобы распространять синусоидальную волну по веревке, а систему стробоскопа можно использовать для «замораживания» волн во времени. Создавайте четко определенные узлы, освещайте стоячие волны и исследуйте квантовую природу волн в режиме реального времени с помощью этого современного исследовательского подхода.Вы можете ознакомиться с некоторыми из наших любимых волновых приложений в видео ниже.

    4 Свойства звука

    Что отличает музыку от шума? Птичий крик более мелодичен, чем автосигнализация. И, как правило, мы можем отличить сирену скорой помощи от полицейской сирены, но как это сделать? Мы используем четыре свойства звука: высоту, динамику (громкость или мягкость), тембр (цвет тона) и продолжительность.

    Частота (высота)

    Pitch — это качество, которое позволяет нам оценивать звуки как «выше» и «ниже».Он предоставляет метод организации звуков на основе частотной шкалы. Высота звука может быть интерпретирована как музыкальный термин для обозначения частоты, хотя это не совсем то же самое. Высокий звук заставляет молекулы быстро колебаться, а низкий звук вызывает более медленные колебания. Высота звука может быть определена только в том случае, если частота звука достаточно четкая и постоянная, чтобы отличить ее от шума. Поскольку высота звука в первую очередь основана на восприятии слушателя, это не объективное физическое свойство звука.

    Амплитуда (динамика)

    Амплитуда звуковой волны определяет ее относительную громкость. В музыке громкость ноты называется ее динамическим уровнем. В физике мы измеряем амплитуду звуковых волн в децибелах (дБ), которые не соответствуют динамическим уровням. Более высокие амплитуды соответствуют более громким звукам, а более короткие амплитуды соответствуют более тихим звукам. Несмотря на это, исследования показали, что люди воспринимают звуки на очень низких и очень высоких частотах как более мягкие, чем звуки на средних частотах, даже если они имеют одинаковую амплитуду.

    Тембр (цвет тона)

    Тембр относится к цвету тона или «ощущению» звука. Звуки с разным тембром создают разные формы волн, которые влияют на нашу интерпретацию звука. Звук пианино отличается по цвету от звука гитары. В физике мы называем это тембром звука. Это то, что позволяет людям быстро распознавать звуки (например, кошачье мяуканье, проточная вода, звук голоса друга).

    Продолжительность (темп / ритм)

    В музыке продолжительность — это количество времени, в течение которого длится тон или тон.Их можно охарактеризовать как длинные, короткие или требующие некоторого времени. Продолжительность ноты или тона влияет на тембр и ритм звука. Классическая фортепианная пьеса будет иметь ноты большей продолжительности, чем ноты, сыгранные клавишником на поп-концерте. В физике продолжительность звука или тона начинается после того, как звук регистрируется, и заканчивается, когда он не может быть обнаружен.

    Создание музыки с использованием 4 свойств звука

    Музыканты манипулируют четырьмя свойствами звука, создавая повторяющиеся паттерны, образующие песню.Продолжительность — это время, в течение которого длится музыкальный звук. Когда вы играете на гитаре, звук прекращается, когда вы успокаиваете струны. Высота звука — это относительная высота или слабость звука, которая определяется частотой звуковых колебаний. Более быстрые колебания производят более высокую высоту звука, чем более медленные. Более толстые струны гитары производят более медленные вибрации, создавая более глубокую высоту тона, в то время как более тонкие струны производят более быстрые вибрации и более высокую высоту звука. Звук с определенной высотой или определенной частотой называется тоном.Тоны имеют определенные частоты, которые достигают уха через равные промежутки времени, например 320 циклов в секунду. Когда два тона имеют разные высоты, они звучат по-разному, и разница между их высотой звука называется интервалом. Музыканты часто используют интервал, называемый октавой, который позволяет двум тонам разной высоты звучать одинаково. Динамика относится к степени громкости или мягкости звука и связана с амплитудой вибрации, производящей звук. Чем сильнее натянута гитарная струна, тем громче будет звук.Цвет тона или тембр описывает общее ощущение звука, производимого инструментом. Если бы мы описали цвет тона трубы, мы могли бы назвать его ярким или блестящим. Когда мы рассматриваем виолончель, мы можем сказать, что она имеет насыщенный цветовой тон. Каждый инструмент предлагает свой собственный цвет тона, и можно создавать новые цвета тона, совмещая инструменты друг с другом. Более того, современные музыкальные стили, такие как EDM, представили новые стили тона, которые были недоступны до создания цифровой музыки.

    Что делает звук музыкой или шумом?

    Акустики, или ученые, изучающие акустику звука, изучали, как различные типы звуков, в первую очередь шум и музыка, влияют на людей.Рандомизированные неприятные звуковые волны часто называют шумом. Кроме того, построенные модели звуковых волн известны как музыка. Исследования показали, что человеческое тело по-разному реагирует на шум и музыку, что может объяснить, почему строительство дороги субботним утром делает нас более напряженными, чем песня пианиста.

    Акустика

    Акустика — это междисциплинарная наука, изучающая механические волны, включая вибрацию, звук, инфразвук и ультразвук в различных средах, таких как твердые тела, жидкости и газы.Профессионалы в области акустики могут варьироваться от инженеров-акустиков, которые исследуют новые области применения звука в технологиях, до инженеров-звукорежиссеров, специализирующихся на записи и управлении звуком, до акустиков, которые являются учеными, занимающимися наукой о звуке.

    Резонансная воздушная колонна

    Независимо от того, нужен ли вам универсальный волновой демонстратор или доступное по цене устройство, которое позволяет студентам на практике экспериментировать с резонансом и гармониками, Resonance Air Column — ваш лучший инструмент.Резонансная воздушная колонна состоит из полой трубки с поршнем внутри.
    Когда поршень перемещается через резонансную воздушную колонну, каждый раз, когда он сталкивается с узлом, издается громкий звуковой сигнал.
    Используя измерители и кольца для крепления на ремне, студенты могут идентифицировать, измерять и отмечать расположение узлов и пучностей в резонансной воздушной колонне — и все это при просмотре данных в реальном времени с помощью дисплея БПФ Capstone.
    После изучения резонансной частоты, узлов и пучностей учащиеся могут сравнить свои экспериментальные измерения с ожидаемыми измерениями, используя свои собственные графики и расчеты.

    Характеристики звуковых волн

    Есть пять основных характеристик звуковых волн: длина волны, амплитуда, частота, период времени и скорость. Длина звуковой волны указывает расстояние, которое проходит волна, прежде чем она повторится. Сама длина волны — это продольная волна, которая показывает сжатие и разрежение звуковой волны. Амплитуда волны определяет максимальное смещение частиц, возмущенных звуковой волной, когда она проходит через среду.Большая амплитуда указывает на большую звуковую волну. Частота звуковой волны указывает количество звуковых волн, производимых каждую секунду. Низкочастотные звуки производят звуковые волны реже, чем высокочастотные звуки. Временной период звуковой волны — это количество времени, необходимое для создания полного волнового цикла. Каждая вибрация от источника звука производит звук величиной с волну. Каждый полный волновой цикл начинается с впадины и заканчивается в начале следующей впадины. Наконец, скорость звуковой волны показывает, насколько быстро волна движется, и выражается в метрах в секунду.

    Схема звуковой волны. Волновой цикл возникает между двумя впадинами.

    Единиц звука

    Когда мы измеряем звук, нам доступны четыре различных единицы измерения. Первая единица называется децибелом (дБ). Децибел — это логарифмическое отношение звукового давления к эталонному давлению. Следующей наиболее часто используемой единицей измерения является герц (Гц). Герцы — это мера звуковой частоты. Герцы и децибелы широко используются для описания и измерения звуков, но также используются фон и звуковой сигнал.Сон — это воспринимаемая громкость звука, а фон — это единица громкости для чистых тонов. Кроме того, фон относится к субъективной громкости, а звук — к воспринимаемой громкости.

    Пояснения к графам звуковых волн

    Звуковые волны можно описать с помощью графика смещения или плотности. Графики смещения-времени показывают, как далеко частицы находятся от своих исходных мест, и показывают, в каком направлении они двигались. Частицы, которые появляются на нулевой линии на графике смещения частиц, вообще не двигались из своего нормального положения.Эти, казалось бы, неподвижные частицы испытывают большее сжатие и разрежение, чем другие частицы. Поскольку давление и плотность взаимосвязаны, график зависимости давления от времени будет отображать ту же информацию, что и график зависимости плотности от времени. Эти графики показывают, где частицы сжаты, а где сильно расширены. В отличие от графиков смещения, частицы вдоль нулевой линии на графике плотности никогда не сжимаются и не растягиваются. Напротив, это частицы, которые больше всего движутся вперед и назад.

    Звуковое давление

    Звуковое давление описывает локальное отклонение давления от окружающего атмосферного давления при распространении звуковой волны. Важно понимать, что звуковое давление и давление воздуха — разные понятия. В целом, на скорость звука не влияет давление воздуха. Когда звуковые волны проходят от источника звука через воздух, они изменяют давление, испытываемое соседними частицами воздуха.

    Уровень звука

    Уровень звука — это сравнение давления звуковой волны относительно контрольной точки.Уровень звука измеряется в децибелах, причем более высокие децибелы соответствуют более высоким уровням звука. Некоторые звуковые инструменты измеряют уровень звука в дБн, который представляет собой отношение мощности (децибел) сигнала к его несущему сигналу. Другие звуковые инструменты измеряют относительную громкость звуков, воспринимаемых человеческим ухом, с помощью децибел, взвешенных по шкале А, известной как дБа. Когда используется дБа, звуки на низких частотах уменьшаются в децибелах по сравнению с невзвешенными децибелами.

    Уровень звука — это сравнение давления звуковой волны относительно контрольной точки.Измеритель дБн измеряет высокие и низкие частоты, а измеритель дБа измеряет частоты среднего уровня.

    Интенсивность звука

    Интенсивность звука — это мощность звуковой волны на единицу площади. Чем интенсивнее звук, тем больше будут колебания амплитуды. По мере увеличения интенсивности звука давление, оказываемое звуковыми волнами на близлежащие объекты, также увеличивается. Децибелы используются для измерения отношения заданной интенсивности (I) к пороговому значению интенсивности слышимости, которое обычно имеет значение 1000 Гц для человеческого уха.

    Интенсивность звука — это мощность звуковой волны на единицу площади. Чем интенсивнее звук, тем больше будут колебания амплитуды. По мере увеличения интенсивности звука давление, оказываемое звуковыми волнами на близлежащие объекты, также увеличивается.

    Интенсивность звука в воздушном столбе

    Воздушный столб — это большая полая труба, открытая с одной стороны и закрытая с другой. Условия, создаваемые воздушным столбом, особенно полезны для исследования звуковых характеристик, таких как интенсивность и резонанс.Посмотрите видео ниже, чтобы увидеть, как воздушные колонны можно использовать для исследования узлов, пучностей узлов и резонанса.

    140. Топографические эффекты распространения инфразвуковых волн

    Джерри К. Мок, доктор Джейкоб Андерсон, доктор Джеффри Б. Джонсон, Скотт Дж. Говен

    Выберите для просмотра постера полностью

    Фон

    Инфразвук — это длинноволновый звук, не слышимый человеком, который широко используется при мониторинге вулканов. Инфразвуковое излучение напрямую связано с физическими процессами, происходящими в вулканическом жерле, и может использоваться для определения уровней вулканической активности.В вулкане Вильяррика, Чили, есть открытый канал и активное лавовое озеро, которое является отличным источником мощного и непрерывного инфразвука. Одна из исследовательских целей нашей экспедиции в Вильяррику в январе 2020 года заключалась в том, чтобы определить влияние промежуточной топографии на амплитуду и спектральный состав инфразвуковых данных, записанных вдали от источника (~ 12 км).

    Методы

    1. Инфразвуковые данные были собраны с вулкана Вильяррика в Чили путем создания линейной матрицы датчиков Gem с линией, нормальной и равноудаленной от источника (Volcán Villarrica).
    2. Топографические данные были нанесены на карту с помощью Google Earth и MATLAB, затем станции были разделены на 3 группы: без препятствий, частичные препятствия, большие препятствия.
    3. Инфразвуковые данные были обработаны в MATLAB для уменьшения шума с использованием цифровых фильтров верхних и нижних частот и выровнены от пика до пика для сравнения, удалив расстояние как фактор шума.
    4. Формы сигналов трех групп были нанесены на график в MATLAB и сравнены.

    Первоначальные результаты: промежуточная топография действительно влияет на распространение инфразвуковых волн

    Все инфразвуковые данные

    Один взрыв зафиксирован массивом инфразвуковых датчиков Gem

    Нет препятствий

    При отсутствии топографических препятствий все данные хорошо совпадают по амплитуде и длине волны

    Частичное препятствие

    При частичном препятствии данные гораздо более нестабильны по амплитуде и несовместимы по длине волны

    Основное препятствие

    При большом препятствии данные гораздо более непостоянны по амплитуде, хотя и согласованы по длине волны.

    Оборудование

    Инфразвуковые датчики Gem — результат многолетних усилий доктора Джейкоба Андерсона здесь, в Государственном университете Бойсе. Самоцветы, использованные в январской экспедиции 2020 года в Вильяррику, были изготовлены каждым из авторов в том или ином качестве.