Вопрос 15. Звуковая волна. Хар-ки звука. Инфразвук и ультразвук. Принцип локации.

Воспринимаемый человеком звук также представляет собой волновое движение, которое возникает в окружающей нас среде. Источником звука всегда служит какое – либо колеблющееся тело. Это тело приводит в движение окружающий воздух, в котором начинают распространяться продольные упругие волны. Когда эти волны достигают уха, они заставляют колебаться барабанную перепонку, и мы ощущаем звук. Механические волны, действие которых на ухо вызывает ощущение звука, называются звуковыми. Человек воспринимает f =20–16000Гц. f < 20 Гц – инфразвук, f > 16кГц – ультразвук. (Горы, лавины, сели! Инфразвук  страх).

Упругие волны могут распространяться только в среде, где существует связь между отдельными частицами этой среды, поэтому в вакууме звук распространяться не может. В воздухе V =330 м/с.

Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, которая называется порогом слышимости. Он бывает различен для разных людей и сильно зависит от f. Человеческое ухо наиболее чувствительно к f = 1000 – 4000 Гц. В этой области частот I₀ = 10^-16 Вт.

Звук очень большой интенсивности тоже не вызывает слухового ощущения, а создает лишь ощущение боли и давления в ухе. Минимальное значение интенсивности звука, превышение корого вызывает болевое ощущение, наз. болевым порогом. Значения различных порогов различны для различных частот, рис.1.

Первое различимое качество звука – это громкость. Изменение громкости звука вызывается изменением амплитуды колебаний. Происходит это потому, что энергия, переносимая волной, пропорциональна квадрату амплитуды ( Е ~ А²).

Вторым качеством звука является высота его тона. Звук, соответствующий строго определенной частоте колебаний, наз. тоном. Чем больше частота звука, тем более высоким является тон. Получить звуки различных тонов можно с помощью камертона.

Третьим качеством звука является его тембр. В жизни мы часто узнаем знакомого человека по голосу, еще не видя его. Мы легко отличаем звуки скрипки от звуков рояля, хотя они могут быть одного тона. Качество звука, позволяющее определить источник его образовавния, наз. тембром. Тембр различных источников звука не одинаков. Объясняется это образованием дополнительных стоячих волн в самом источнике звука, которые дают дополнительные тона. Дополнительные тона источника звука, более высокие, чем основной тон, называются высшими гармоническими тонами или обертонами.

Каждый источник звука имеет определенное число обертонов. Они и придают звуку свой характерный оттенок – тембр.

Шум отличается от музыкального звука лишь тем, что в нем присутствуют колебания всевозможных частот с разными амплитудами.

На границе раздела двух сред звуковые волны претерпевают частичное или полное отражение. Возвращение звуковой волны после отражения наз. эхом. Явление отражения звуковых волн широко используется в акустике. Сравнительно слабое затухание ультразвуковых волн в воде позволило использовать их в целях гидролокации – обнаружении предметов и определении расстояний от источника звука до предметов. Гидролокатор (эхолот) – измеряет глубину и рельеф морского дна, расстояние до айсберга, косяков рыбы и т.д. Примеры: pобототехника, УЗИ.

Ультразвук и его применение. По своей природе ультразвук представ­ляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука. Однако ультразвук, обладая высокими частотами (v > 20 кГц) и, следовательно, малыми длинами волн, характеризуется особыми свойствами, что позволяет вы­делить его в отдельный класс явлений. Из-за малых длин волн ультразвуковые волны, как и свет, могут быть полу чены в виде строго направленных пуч­ков.

Для генерации ультразвука в основном два явления. Обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пла­стинке (в последнее время вместо квар­ца применяется титанат бария) под дей­ствием электрического поля. Если такую пластинку поместить в высокочастотное переменное поле, то можно вызвать ее вынужденные колебания. При резонансе на собственной частоте пластинки полу­чают большие амплитуды колебаний и. следовательно, большие интенсивности излучаемой ультразвуковой волны. Идея кварцевого ультразвукового генератора принадлежит французскому физику Ланжевену. Магнитострикция — возникновение деформации в ферромагнетиках под дей­ствием магнитного поля. Поместив фер­ромагнитный стержень (например, из никеля или железа) в быстро переменное магнитное поле, возбуждают его механи­ческие колебания, амплитуда колебаний которых максимальна в случае резонанса. Ультразвуки широко используются в технике, например для направленной под­водной сигнализации, обнаруженияпод­водных предметов и определения глубин (гидролокатор, эхолот). Например, в эхо­лоте от пьезокварцевого генератора,ук­репленного на судне, посылаются на­правленные ультразвуковые сигналы, ко­торые, достигнув дна, отражаются от него и возвращаются обратно. Зная ско­рость их распространения в воде и оп­ределяя время прохождения (от подачи до возвращения) ультразвукового сигна­ла, можно вычислить глубину. Прием эха также производится с помощью пьезо­кварца. Звуковые колебания, дойдя до пьезокварца, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на про­тивоположных поверхностях кварца воз­никают электрические заряды, которые измеряются. Если пропускать ультразвуковой сигнал через исследуемую деталь, то можно об­наружить в ней дефекты по характерному рассеянию пучка и по появлению ультразвуковой тени. На этом принципе соз­дана целая отрасль техники - ультразву­ковая дефектоскопия, основанная советским ученым Соколовым. Применение ультразвука легло также в основу новой области акустики— акустоэлектроники, позволяющей на ее основе разрабатывать приборы для обработки сигнальной информации в микрорадиоэлектронике. Ультразвук применяют для воздей­ствия на различные процессы (кристал­лизацию, диффузию, тепло и массообмен в металлургии и т.д.) и биологиче­ские объекты (повышение интенсивности процессов обмена и т. д.), для изучения физических свойств веществ (поглощения, структуры вещества и т. д.). Ультразвук используется также для механической обработки очень твердых и очень хрупких тел, в медицине (диагностика, ультра­звуковая хирургия, микромассаж тка­ней) и т. д.