Фізика. 9 клас. Головко

§ 24. Інфра- й ультразвуки та їх використання

• Інфразвук та його практичне використання

• Ультразвук у природі та техніці

• Вплив вібрацій і шумів на живі організми

ІНФРАЗВУК ТА ЙОГО ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ. Людське вухо сприймає звук частотою від 20 до 20 000 Гц. Звукові коливання з частотою, меншою 20 Гц, називають інфразвуком, більшою ніж 20 000 Гц — ультразвуком, а високочастотні пружні хвилі у діапазоні 10⁹—10¹³ Гц — гіперзвуком.

Інфразвук — пружні хвилі, що поширюються в рідинах, газах та твердих тілах, частота яких нижча 20 Гц.

Фізична природа інфра- й ультразвуку та звуку чутного діапазонів однакова. Їх умовний поділ пояснюється лише особливостями сприйняття слуховим аналізатором людини. Інфразвуку практично нечутно. Його особливістю є здатність поширюватися на значні відстані без істотної втрати енергії, долати або огинати перешкоди, створювати вібрацію масивних механізмів тощо. Фізичні властивості інфразвукових коливань зумовлені їхньою низькою частотою і великою довжиною хвиль.

Інфразвуки виникають унаслідок обдування вітром будівель, дерев, під час роботи промислових установок і транспортних засобів, грозових розрядів, вибухів бомб, пострілів гармат. У середовищі інфразвук майже не поглинається. Тому такі хвилі поширюються на десятки тисяч кілометрів, що використовується, наприклад, у сейсмології.

Інфразвук у природі виникає майже завжди під час небезпечних або катастрофічних подій: торнадо, цунамі, ураганів тощо. У земній корі спостерігаються коливання та вібрації інфразвукових частот, спричинені обвалами, землетрусами, вулканічними виверженнями тощо. Ймовірно, у процесі природного добору в людей і тварин з’явилася здатність відчувати подібні сигнали тривоги. Наприклад, риби й інші морські організми відчувають наближення шторму або циклону, сприймаючи інфразвукові хвилі, створювані ураганними вихорами, що дає змогу їм заздалегідь відпливти в безпечне місце. Якщо шторм розпочинається за сотні кілометрів від берега, то він досягне суші майже через добу, а медузи відчувають його наближення миттєво й відпливають на глибину. Вони здатні сприймати інфразвуки частотою 8—13 Гц.

До об’єктів, що створюють інфразвукові коливання, належать автомобільний і водний транспорт, конверторні й мартенівські цехи металургійного виробництва, компресорні, газопередавальні станції, портові крани тощо.

Наприкінці 60-х років XX ст. французький дослідник Володимир Гавро виявив, що інфразвук певної частоти викликає в людини тривогу і занепокоєння, головні болі, зниження уваги та працездатності. Результати всебічного вивчення біологічної дії інфразвуку свідчать про те, що залежно від частоти й рівня звукового тиску він негативно впливає на функціональний стан організму, несприятливо діючи на нервову, серцево-судинну системи, функцію дихання, роботу слухового та вестибулярного аналізаторів. Внаслідок тривалої дії низькочастотних коливань у людини спостерігається слабкість, виникають роздратування та погіршення сну й навіть порушення психіки (рис. 24.1).

Рис. 24.1. Вплив інфразвуку на організм людини

Найефективнішим і практично єдиним засобом боротьби з дією інфразвуку є зниження його потужності в джерелі. Наприклад, у технічних пристроях із плоскими поверхнями великої площі виникають сприятливі умови для генерації інфразвуку. Тому у виробничих конструкціях перевага надається малогабаритним механізмам.

Як індивідуальні засоби захисту рекомендується застосовувати навушники, що захищають вухо від несприятливої дії шумів.

УЛЬТРАЗВУК У ПРИРОДІ ТА ТЕХНІЦІ. Ультразвуком називають пружні механічні коливання і хвилі з частотами, більшими ніж 20 кГц. Їхня верхня межа визначається міжмолекулярними відстанями і тому залежить від агрегатного стану речовини, де поширюється хвиля. Завдяки малій довжині ультразвукові хвилі, так само, як і світло, можна генерувати у вигляді вузькоспрямованих пучків, що поширюються майже без втрат на великі відстані. Відбивання таких хвиль на межі поділу двох середовищ відбувається за законами геометричної оптики, а швидкість поширення та поглинання істотно залежить від їхніх властивостей.

Нині ультразвук — це не просто позначення високочастотної області акустичних хвиль, а окремий науковий напрям освітніх галузей фізики та біології, з яким пов’язані промислові, інформаційні та вимірювальні технології.

Широке застосування ультразвуку зумовлено тим, що будь-які зміни в середовищі, крізь яке проходить хвиля, призводять до зміни швидкості її поширення, поглинання, відбивання та заломлення на межі поділу середовищ.

Ультразвуки використовуються в ехолокації (від нім. echo — відлуння і лат. locatio — розміщення), наприклад, із метою вивчення рельєфу морського дна, визначення типів ґрунтів, стратифікації донного осаду, дослідження звукорозсіювальних шарів, спрямованої підводної сигналізації, виявлення затоплених предметів, вимірювання глибин та здійснення інших гідроакустичних розвідок (рис. 24.2).

Рис. 24.2. Дослідження морського дна й вимірювання глибини

Ехолокація — випромінювання й сприйняття відбитих, як правило, високочастотних, звукових сигналів із метою виявлення об’єктів у просторі, а також отримання інформації про їх властивості та розміри.

Явище ехолокації покладено в основу дії ехолота.

Ехолот — навігаційний прилад автоматичного вимірювання глибини водоймищ за допомогою гідроакустичних сигналів.

Відбитий від дна акустичний імпульс приймається вібратором, який перетворює його в електричний. Після підсилення сигнал подається на індикатор глибини, де відображається проміжок часу в секундах між моментами його надсилання й повернення в ехокамеру, і перетворюється у візуальну інформацію — запис глибини:

де швидкість звуку υ_зв = 1500 м/с. Тривалість імпульсів частотою 10—200 кГц становить 0,05—20 мс.

Ехолокація у тварин (рис. 24.3) — один зі способів орієнтації в просторі. Вона особливо розвинена в кажанів і дельфінів, виявлена у землерийок, різних видів ластоногих (тюлені), птахів (гуахаро, салангани та ін.) і ґрунтується на випромінюванні ультразвукових імпульсів частотою до 130—200 кГц тривалістю від 0,2 до 4—5 мс. У дельфінів і кажанів, окрім загальної орієнтації, ехолокація є засобом визначення просторового положення об’єктів та їх розмірів, пошуку здобичі тощо.

Рис. 24.3. Монітор ехолота

Птахи, що живуть у темних печерах, використовують ехолокацію з метою орієнтації в темноті. Мурахи також випромінюють ультразвукові сигнали низьких частот, які можна поділити на три групи: «сигнали небезпеки», «агресії» і «харчовий сигнал».

Явище ультразвуку застосовують із метою впливу на технологічні процеси (кристалізацію, дифузію, тепло- і масообмін у металургії тощо), вивчення фізичних властивостей речовин (структури, поглинання, розсіювання тощо), біологічні об’єкти (підвищення інтенсивності процесів обміну), прискорення швидкості хімічних реакцій. Ультразвук великої потужності спричиняє загибель вірусів і бактерій, що використовується під час стерилізації приміщень.

Ультразвук застосовується також у медицині (діагностика, ультразвукова хірургія, мікромасаж тканин) та ін. Він є джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини. Робота серця, легенів тощо супроводжується звуковими явищами певної частоти. Знаючи, якими мають бути звуки під час оптимального функціонування органів і тканин, можна визначити характер їх захворювання або пошкодження.

Зміну швидкості й поглинання ультразвуку в людських органах і тканинах, а також відбивання на межі кількох середовищ покладено в основу ультразвукового дослідження (УЗД) (рис. 24.4).

Рис. 24.4. Метод ультразвукового дослідження (УЗД)

Сучасними прикладами УЗД у медицині є ультразвукова ехоенцефалографія — діагностування пухлин та запалень головного мозку, кардіографія — дослідження динаміки серцевої діяльності, голографія — отримання тривимірних зображень біооб’єктів із використанням накладання ультразвукових променів тощо.

Ультразвуки великої інтенсивності застосовуються в стоматології (зняття зубних каменів, просвердлювання каналів тощо).

Механічні та теплові ефекти, що виникають під дією ультразвуку на різні біологічні тканини, покладено в основу методу ультразвукової фізіотерапії.

ВПЛИВ ВІБРАЦІЙ І ШУМІВ НА ЖИВІ ОРГАНІЗМИ. Поруч із шумом досить часто спостерігається явище вібрації. Шум і вібрація відрізняються між собою частотою коливань.

Вібрація — рух матеріальної точки або механічної системи, під час якого почергово зростають і спадають із часом значення амплітуди, частоти, швидкості тощо.

Вібрація проявляється у вигляді механічних коливань пружних тіл.

Залежно від параметрів вібрація може як позитивно, так і негативно впливати на окремі тканини та організм людини. Було встановлено також, що помірна вібрація покращує живлення тканин і прискорює загоєння ран. Корисна вібрація використовується в техніці, наприклад, під час вібраційного транспортування, вібробуріння тощо.

Шкідлива вібрація, що має складний неперіодичний характер у різних частотних інтервалах (наприклад, під час роботи двигунів), може призвести до порушення режиму функціонування машин або їх руйнування. Високоінтенсивні виробничі шуми є шкідливими для людини.

Виробнича вібрація, що характеризується значною амплітудою і тривалістю, спричиняє в робітників дратівливість, безсоння, головний біль тощо.

Для боротьби зі шкідливою вібрацією застосовують віброізоляцію. На промислових підприємствах нормується вібраційна швидкість механізмів, яка при частотах 16, 32, 63, 250 Гц має відповідати 0,0015, 0,0022, 0,0027, 0,0035 м/с. Виникненню вібрацій запобігають, установлюючи механізми на спеціальні фундаменти, які не пов’язані з будівлею. З метою віброізоляції застосовують прокладки з гуми, пробки, дерева, пружини, а також сайлентблоки.

! Головне в цьому параграфі

Звукові хвилі з частотою, вищою від звукового діапазону, називають ультразвуком, із нижчою — інфразвуком.

Ультразвук та інфразвук, шум і вібрація мають практичне застосування, справляють корисні й шкідливі впливи на людину.

Залежно від частоти й рівня звукового тиску інфразвук негативно впливає на функціональний стан організму, несприятливо діючи на нервову, серцево-судинну системи, функцію дихання, роботу слухового та вестибулярного аналізаторів.

Ультразвуки широко використовуються в ехолокації, на виробництві, у медицині.

Шум і вібрація різняться між собою частотою коливань. Залежно від параметрів вібрація може як позитивно, так і негативно впливати на організм людини.

? Запитання для самоперевірки

1. Наведіть приклади джерел інфразвукових хвиль.
2. Наведіть приклади використання ультразвукових хвиль представниками тваринного світу.
3. Розкажіть про властивості інфра- й ультразвуку та їх практичне використання.
4. У чому полягає шкідлива дія на людський організм ультразвуку, інфразвуку, шумів, вібрацій?
5. У яких галузях виробництва застосовується ультразвук?
6. Де в медицині використовують ультразвук?
7. Який принцип дії ехолота?
8. Як можна усунути або суттєво зменшити вібрацію?

Вправа до § 24

1 (п). Чому комара в польоті чути, а метелика — ні?
2 (п). Біля злітно-посадкових смуг аеропортів можна побачити великі бетонні, пластикові або металеві щити — шумозахисні екрани. Яке їх призначення?
3 (с). Шкідливими для людини є інфразвуки з частотою 5—8 Гц. Якою є їхня довжина, якщо швидкість звуку в повітрі становить 340 м/с?
4 (с). Система «звуколокації» кажанів настільки досконала, що вони здатні відчути порух плавників дрібної рибки, які виступають лише на 2 мм над поверхнею води. З якою точністю кажани мають визначати час між випромінюванням ультразвукового імпульсу та його відбиттям? Швидкість ультразвуку в повітрі дорівнює 340 м/с.
5 (с). Дельфін випромінює короткі імпульси ультразвуку, проміжок часу між якими становить 200 мс. На якій максимальній відстані від нього у воді перебуває перешкода? Швидкість звуку у воді становить 1435 м/с.
6 (д). Визначте глибину моря, якщо ультразвуковий імпульс повернувся на судно через 0,2 с після випромінювання. Швидкість ультразвуку в морській воді становить 1435 м/с.
7 (д). Луна, зумовлена рушничним пострілом, надійшла до стрільця через 4 с після пострілу. На якій відстані від нього перебуває перешкода? Швидкість звуку в повітрі дорівнює 340 м/с.
8 (в). Наявність порожнин у сталевій деталі можна виявити за допомогою ультразвукового дефектоскопа. Перший звуковий сигнал було отримано через 180 мкс після відправлення, а другий — через 60 мкс. Яка висота деталі? На якій глибині виявлено дефект? Швидкість ультразвуку в сталі дорівнює 5000 м/с.
9 (в). Із гвинтівки здійснено постріл по мішені, розташованої на відстані 1020 м. Швидкість, із якою куля наближається до неї, дорівнює 850 м/с. На скільки раніше куля влучить у мішень, ніж до неї долине звук пострілу? Швидкість звуку в повітрі становить 340 м/с.

Зміст