7.2. Биофизика инфразвука

К инфразвукам относятся механические колебания и волны с частотами ниже 20 Гц. Нижняя граница их не определена. Практический интерес представляют инфразвуки с частотами в несколько Герц и даже в десятые и сотые доли Герц.

Источником инфразвука может быть любое тело, которое колеблется с данной частотой. Известно, что частота собственных колебаний уменьшается с увеличением размеров тела. Поэтому инфразвуки возникают при колебаниях тел, имеющих большие поверхности, а также при быстрых перемещениях тел.

В природе источником инфразвука являются: грозовые разряды, обвалы, взрывы, землетрясения. Все данные источники инфразвука создают несинусоидальные или импульсные затухающие колебания. Генераторами незатухающих инфразвуковых волн служат устройства, которые напоминают органные трубы или свистки.

Если труба открыта с одного конца, то ее длина равна четверти установившейся в ней стоячей волны. Так как длина волны  инфразвука велика, то размеры трубы должны быть значительными. например, от звука с частотой 17 Гц =20 м, поэтому длина полуоткрытой трубы должна быть около 5 м.

Мощность таких генераторов зависит от мощности протекающего через нее потока воздуха и от ее диаметра, так как чем больше диаметр трубы, тем больше ее излучающая поверхность.

Свистки и трубы позволяют излучать большие акустические мощности. Инфразвуковой "свисток", изготовленный в лаборатории французского ученого Гавро, имел диаметр 1,5 м и мощность 2 Вт. При его работе даже на неполной мощности в стенах появились трещины. Инфразвуки распространяются на очень большие расстояния.

7.3. Получение, распространение и регистрация ультразвука

Ультразвуком называются упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. Такое определение сложилось исторически, так как есть люди, воспринимающие звуки в 25 кГц.

С 1983 г. принято считать нижней границей ультразвука 11,12 кГц (ГОСТ 12.1001-83). Верхняя граница ультразвука обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах.

Поэтому в газах верхнюю границу ультразвука определяют из равенства длины ультразвука средней длине свободного пробега молекул λ₁=10^-6 м, что соответствует частоте 1 ГГц. Упругие волны с частотами более 1 ГГц называются гиперзвуком.

По своей природе ультразвук не отличается от волн слышимого диапазона или инфразвука. Длины ультразвуковых волн значительно меньше. Так, в воде при скорости с=1500 м/с и частоте =1 Мгц длина волны будет 1,5 мм.

Благодаря малой длине волны, дифракция ультразвука происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к ультразвуку можно применить законы геометрической оптики.

Для мягких биологических тканей - мышц, жиров, нервных волокон, печени - с=1490…1610 м/с; для костной ткани с=3300…3380 м/с.

Скорость распространения звуковой волны является характерной величиной для данной среды. Это значит, скорость изменяется при переходе ультразвука в другую среду. Частота звуковых волн определяется источником акустических колебаний. Частицы среды, в которых распространяются акустические волны, совершают колебательные движения, то есть смещаются относительно положения равновесия по закону: , где A – амплитуда (максимальное смещение), которое показывает, с какой максимальной скоростью движутся колеблющиеся частицы. Действительно,

(7.6)

Чем больше частота, тем больше скорость частиц и амплитуда смещения. Максимальная скорость колеблющейся частицы

. (7.7)

Ускорение колебательных частиц зависит также от амплитуды смещения:

;

таким образом,

, (7.8)

где а₀ - амплитуда ускорения частиц.

Скорость распространения в газах определяется формулой Лапласа для малых амплитуд:

, (7.9)

где ; М - молекулярный вес; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура;  - плотность; Р - давление.

Если А – амплитуда ультразвуковой волны, а , то

. (7.10)

Таким образом, скорость распространения в газах (воздухе) зависит от частоты ультразвуковой волны и ее амплитуды.

В жидкостях скорость распространения ультразвука зависит от коэффициента сжимаемости и плотности среды:

, (7.11)

где  - коэффициент сжимаемости;

; (7.12)

_ад - адиабатическая сжимаемость; _из - изотермическая сжимаемость.

Биологические среды подчиняются изотермическим законам (T=const):  равно относительному объему при изменении давления.

В твердом теле

, (7.13)

где Е - модуль Юнга;  - плотность среды.

В воздухе с=344 м/с.

Скорость распространения ультразвука в твердых телах больше, чем в газах и жидкостях: в никеле с=5600 м/с; в железе с=5850 м/с.