Ультра и инфразвук в живой природе. Ультразвук в природе. Эхолокация. Ультразвук, влияние на организм человека Применение ультразвука и инфразвука

Введение

1. Ультразвуки в живой природе

2. Эхопеленг

3. Типы природных сонаров

4. Осязание помогает летучим мышам избегать препятствия

5. Летучие мыши-рыболовы

6. И летучие мыши ошибаются

7. Крики в бездне

8. Радар водяного слона

Заключение

Литература

Введение

Открытие эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Лазаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, -- зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя -- короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать .

Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.

Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.

1. Ультразвуки в живой природе

За последние десять -- пятнадцать лет биофизики с изумлением установили, что природа, по-видимому, не очень скупилась, когда наделяла своих детей сонарами. От летучих мышей к дельфинам, от дельфинов к рыбам, птицам, крысам, мышам, обезьянам, к морским свинкам, жукам переходили исследователи со своими приборами, всюду обнаруживая ультразвуки.

Эхолотами вооружены, оказывается, многие птицы. Зуйки-галстучники, кроншнепы, совы и некоторые певчие птицы, застигнутые в полете туманом и темнотой, разведывают путь с помощью звуковых волн. Криком они «ощупывают» землю и по характеру эха узнают о высоте полета, близости препятствий, о рельефе местности.

Очевидно, с целью эхолокации издают ультразвуки небольшой частоты (двадцать -- восемьдесят килогерц) и другие животные -- морские свинки, крысы, сумчатые летяги и даже некоторые южноамериканские обезьяны.

Мыши и землеройки в экспериментальных лабораториях, прежде чем пуститься в путь по темным закоулкам лабиринтов, в которых испытывали их память, посылали вперед быстрокрылых разведчиков -- ультразвуки. В полной темноте они отлично находят норы в земле. И тут помогает эхолот: из этих дыр эхо не возвращается!

Жирные козодои, или гуахаро, как их называют в Америке, живут в пещерах Перу, Венесуэлы, Гвианы и на острове Тринидад. Если вздумаете нанести им визит, запаситесь терпением, а главное лестницами и электрическими фонарями. Необходимо также и некоторое знакомство с основами альпинизма, потому что козодои гнездятся в горах и часто, чтобы до них добраться, приходится карабкаться по отвесным скалам.

А как войдете со всем этим снаряжением в пещеру, вовремя заткните уши, потому что тысячи птиц, разбуженных светом, сорвутся с карнизов и стен и с оглушительным криком станут метаться у вас над головой. Птицы крупные, до метра в размахе крыльев, шоколадно-коричневые с большими белыми пятнами. Глядя на их виртуозные маневры в мрачных гротах Аидова царства, все поражаются и задают один и тот же вопрос: как умудряются эти пернатые троглодиты, летая в полной темноте, не натыкаться на стены, на всякие там сталактиты и сталагмиты, которые подпирают своды подземелий?

Погасите свет и прислушайтесь. Полетав немного, птицы скоро успокоятся, перестанут кричать, и тогда вы услышите мягкие взмахи крыльев и как аккомпанемент к ним негромкое щелканье. Вот и ответ на ваш вопрос!

Конечно, это работают эхолоты. Их сигналы улавливает и наше ухо, потому что звучат они в диапазоне сравнительно низких частот -- около семи килогерц. Каждый щелчок длится одну или две тысячные доли секунды. Дональд Гриффин, уже известный нам исследователь сонаров летучих мышей, заткнул ватой уши некоторых гуахаро и выпустил их в темный зал. И виртуозы ночных полетов, оглохнув, тут же и «ослепли»: беспомощно натыкались на все предметы в помещении. Не слыша эха, они не могли ориентироваться в темноте.

Дневные часы гуахаро проводят в пещерах. Там же устраивают и свои глиняные гнезда, прилепив их кое-как к карнизам стен. По ночам птицы покидают подземелья и летят туда, где много фруктовых деревьев и пальм с мягкими, похожими на сливы плодами. Тысячными стаями атакуют и плантации масличных пальм. Плоды глотают целиком, а косточки потом уже, вернувшись в пещеры, отрыгивают. Поэтому в подземельях, где гнездятся гуахаро, всегда много молодых фруктовых «саженцев», которые быстро, однако, гибнут: не могут расти без света.

Брюшко только что оперившихся птенцов гуахаро покрыто толстым слоем жира. Когда исполнится юным троглодитам примерно две недели, в пещеры приходят люди с факелами и длинными шестами. Они разоряют гнезда, убивают тысячи редкостных птиц и тут же, у входа в пещеры, вытапливают из них жир. Хотя у этого жира неплохие и пищевые качества, употребляют его главным образом как горючее в фонарях и лампах.

Горит он лучше керосина и дешевле его -- так считают на родине птицы, которая злой иронией рока осуждена всю жизнь провести в темноте, чтобы умерев дать свет жилищу человека.

В Южной Азии, от Индии до Австралии, живет еще одна птица, которая находит во мраке дорогу к гнезду с помощью сонара. Она тоже гнездится в пещерах (иногда, правда, и на скалах под открытым небом). Это знаменитая салангана, хорошо известный всем местным гурманам стриж: из его гнезд варят суп.

Салангана вот как вьет гнездо: прицепится лапками к скале и смазывает клейкой слюной камень, рисуя на нем силуэт люльки. Водит головой вправо и влево -- слюна тут же застывает, превращается в буроватую корочку. А салангана все смазывает ее сверху. Растут стенки у гнезда, и получается маленькая колыбелька на огромной скале.

Колыбелька эта, говорят, очень вкусная. Люди забираются на высокие утесы, карабкаются при свете факелов на стены пещер и собирают гнезда саланган. Варят потом их в кипятке (или курином бульоне!), и получается отличный суп, как уверяют знатоки.

Совсем недавно открыли, что саланганы представляют интерес не только для гастрономов, но и для биофизиков: эти птицы, летая в темноте, тоже высылают вперед акустических разведчиков, которые «трещат, как детская заводная игрушка».

2. Эхо пеленг

С физической точки зрения всякий звук -- это колебательные движения, распространяющиеся волнообразно в упругой среде.

Чем больше вибраций совершает в секунду колеблющееся тело (или упругая среда), тем выше частота звука. Самый низкий человеческий голос (бас) обладает частотой колебаний около восьмидесяти раз в секунду, или, как говорят физики, частота его колебаний достигает восьмидесяти герц. Самый высокий голос (например, сопрано перуанской певицы Имы Сумак) около 1400 герц.

В природе и технике известны звуки еще более высоких частот -- в сотни тысяч и даже миллионы герц. Рекордно высокий звук у кварца -- до одного миллиарда герц! Мощность звука колеблющейся в жидкости кварцевой пластинки в 40 тысяч раз превышает силу звука мотора самолета. Но мы не можем оглохнуть от этого «адского грохота», потому что не слышим его. Человеческое ухо воспринимает звуки с частотой колебаний лишь от шестнадцати до двадцати тысяч герц. Более высокочастотные акустические колебания принято называть ультразвуками, их волнами летучие мыши и «ощупывают» окрестности.

Ультразвуки возникают в гортани летучей мыши. Здесь в виде своеобразных струн натянуты голосовые связки, которые, вибрируя, производят звук. Гортань ведь по своему устройству напоминает обычный свисток: выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее -- возникает «свист» очень высокой частоты, до 150 тысяч герц (человек его не слышит).

Летучая мышь может периодически задерживать поток воздуха. Затем он с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле. Неплохое достижение для зверька весом 5 -- 20 граммов!

В гортани летучей мыши возбуждаются кратковременные высокочастотные звуковые колебания -- ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 60, а у некоторых видов даже от 10 до 200 импульсов. Каждый импульс, «взрыв», длится всего 2 -- 5 тысячных долей секунды (у подковоносов 5 -- 10 сотых секунды).

Краткость звукового сигнала -- очень важный физический фактор. Лишь благодаря ему возможна точная эхо локация, то есть ориентировка с помощью ультразвуков.

От препятствия, которое удалено на семнадцать метров, отраженный звук возвращается к зверьку приблизительно через 0,1 секунды. Если звуковой сигнал продлится больше 0,1 секунды, то его эхо, отраженное от предметов, расположенных ближе семнадцати метров, будет восприниматься органами слуха зверька одновременно с основным звучанием.

А ведь именно по промежутку времени между концом посылаемого сигнала и первыми звуками вернувшегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук. Поэтому звуковой импульс так краток.

Советский ученый Е. Я. Пумпер сделал в 1946 году очень интересное предположение, которое хорошо объясняет физиологическую природу эхо локации. Он считает, что летучая мышь каждый новый звук издает сразу же, после того как услышит эхо предыдущего сигнала. Таким образом, импульсы рефлекторно следуют друг за другом, а раздражителем, вызывающим их, служит эхо, воспринимаемое ухом. Чем ближе летучая мышь подлетает к препятствию, тем быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще издает зверек новые эхолотирующие «крики». Наконец при непосредственном приближении к препятствию звуковые импульсы начинают следовать друг за другом с исключительной быстротой. Это сигнал опасности. Летучая мышь инстинктивно изменяет курс полета, уклоняясь от направления, откуда отраженные звуки приходят слишком быстро.

Действительно, опыты показали, что летучие мыши перед стартом издают в секунду лишь 5 -- 10 ультразвуковых импульсов. В полете учащают их до 30. При приближении к препятствию звуковые сигналы следуют еще быстрее -- до 50-60 раз в секунду. Некоторые летучие мыши во время охоты на ночных насекомых, настигая добычу, издают даже 250 «криков» в секунду.

Эхолокатор летучих мышей -- очень точный навигационный «прибор»: он в состоянии запеленговать даже микроскопически малый предмет -- диаметром всего 0,1 миллиметра!

И только когда экспериментаторы уменьшили толщину проволоки, натянутой в помещении, где порхали летучие мыши, до 0,07 миллиметра, зверьки стали натыкаться на нее.

Летучие мыши наращивают темп эхолотирующих сигналов примерно за два метра от проволоки. Значит, за два метра они ее и «нащупывают» своими «криками». Но летучая мышь не сразу меняет направление, летит и дальше прямо на препятствие и лишь в нескольких сантиметрах от него резким взмахом крыла отклоняется в сторону.

С помощью сонаров, которыми их наделила природа, летучие мыши не только ориентируются в пространстве, но и охотятся за своим хлебом насущным: комарами, мотыльками и прочими ночными насекомыми.

В некоторых опытах зверьков заставляли ловить комаров в небольшом лабораторном зале. Их фотографировали, взвешивали -- одним словом, все время следили за тем, насколько успешно они охотятся. Одна летучая мышь весом в семь граммов за час наловила грамм насекомых. Другая малютка, которая весила всего три с половиной грамма, так быстро глотала комаров, что за четверть часа «пополнела» на десять процентов. Каждый комар весит примерно 0,002 грамма. Значит, за пятнадцать минут охоты было поймано 175 комаров -- каждые шесть секунд один комар! Очень резвый темп. Гриффин говорит, что если бы не сонар, то летучая мышь, даже всю ночь летая с открытым ртом, поймала бы «по закону случая» одного-единственного комара, и то если бы комаров вокруг было много.

3. Типы природных сонаров

До недавнего времени думали, что природными сонарами обладают только мелкие насекомоядные летучие мыши вроде наших ночниц и нетопырей, а крупные летающие лисицы и собаки, пожирающие тонны фруктов в тропических лесах, их будто бы лишены. Возможно, это так, но тогда, значит, роузеттус представляет исключение, потому что летающие собаки этого рода наделены эхолокаторами.

В полете роузеттусы все время щелкают языком. Звук прорывается наружу в углах рта, которые у роузеттуса всегда приоткрыты. Щелчки несколько напоминают своеобразное цоканье языком, к которому прибегают иногда люди, осуждая что-нибудь. Примитивный сонар летучей собаки работает, однако, достаточно точно: миллиметровую проволоку он засекает с расстояния в несколько метров.

Все без исключения мелкие летучие мыши из подотряда Microchiroptera, то есть микро-рукокрылые, наделены эхолотами. Но модели этих «приборов» у них разные. В последнее время исследователи выделяют в основном три типа природных сонаров: шепчущий, скандирующий и стрекочущий, или частотно-модулирующий тип.

Шепчущие летучие мыши обитают в тропиках Америки. Многие из них подобно летучим собакам питаются фруктами. Ловят также и насекомых, но не в воздухе, а на листьях растений. Их эхолотирующие сигналы -- очень короткие и очень тихие щелчки. Каждый звук длится тысячную долю секунды и очень слаб. Услышать его могут только очень чувствительные приборы. Иногда, правда, летучие мыши-шептуны «шепчут» так громко, что и человек их слышит. Но обычно сонар их работает на частотах 150 килогерц.

Знаменитый вампир тоже шептун. Нашептывая неведомые нам «заклинания», он отыскивает в гнилых лесах Амазонии измученных путешественников и сосет их кровь. Заметили, что собаки редко бывают искусаны вампирами: тонкий слух заранее предупреждает их о приближении кровососов. Собаки просыпаются и убегают. Ведь вампиры нападают только на спящих животных. Были сделаны даже такие опыты. Собак выдрессировали: когда слышали они «шепот» вампира, сейчас же начинали лаять и будили людей. Предполагается, что будущие экспедиции в американские тропики будут сопровождать эти дрессированные «вампиролокаторы».

Скандируют подковоносы. Некоторые из них обитают на юге нашей страны -- в Крыму, на Кавказе и в Средней Азии. Подковоносами они названы за наросты на морде, в виде кожистой подковы двойным кольцом окружающие ноздри и рот. Наросты не праздные украшения: это своего рода рупор, направляющий звуковые сигналы узким пучком в ту сторону, куда смотрит летучая мышь. Обычно зверек висит вниз головой и, поворачиваясь (почти на триста шестьдесят градусов!) то вправо, то влево, ощупывает звуком окрестности. Тазобедренные суставы у тропических подковоносов очень гибки, поэтому и могут они проделывать свои артистические повороты. Как только в поле их локатора попадет комар или жук, самонаводящийся летательный аппарат срывается с ветки и пускается в погоню за горючим, то бишь за пищей.

И этот «летательный аппарат», кажется, в состоянии даже определить, используя хорошо известный физикам эффект Доплера, куда летит пища: приближается ли к суку, на котором висит подковонос, или удаляется от него. Сообразно с этим меняется и тактика преследования.

Подковоносы пользуются на охоте очень продолжительными (если сравнивать их с «криками» других летучих мышей) и однотонными звуками. Каждый сигнал длится десятую или двадцатую долю секунды, и частота его звучания не меняется -- всегда равна ста или ста двадцати килогерцам.

Но вот наши обычные летучие мыши и их североамериканские родичи эхолотируют пространство модулированными по частотам звуками, как и лучшие модели созданных человеком сонаров. Тон сигнала постоянно меняется, значит, меняется и высота отраженного звука. А это в свою очередь означает, что в каждый данный момент высота принимаемого эха не совпадает с тоном отправляемого сигнала. И неспециалисту ясно, что такое устройство значительно облегчает эхолотирование.

4. Осязание помогает летучим мышам избегать препятствия

К решению этой интересной проблемы ученые пришли почти одновременно в разных странах.

Голландец Свен Дийграаф решил проверить, действительно ли осязание помогает летучим мышам избегать препятствия. Он перерезал осязательные нервы крыльев -- оперированные животные отлично летали. Значит, осязание здесь ни при чем. Тогда экспериментатор лишил летучих мышей слуха -- они сразу точно ослепли.

Дийграаф рассуждал так: поскольку стены и предметы, встречающиеся летучим мышам в полете, не издают никаких звуков, значит, кричат сами мыши. Эхо их собственного голоса, отраженное от окружающих предметов, извещает зверюшек о препятствии на пути.

Дийграаф заметил, что летучая мышь, прежде чем пуститься в полет, раскрывает рот. Очевидно, издает неслышные для нас звуки, «ощупывая» ими окрестности. В полете летучие мыши тоже то и дело открывают рты (даже когда не охотятся за насекомыми).

Это наблюдение подало Дийграафу мысль проделать следующий эксперимент. Он надел на голову зверька бумажный колпак. Спереди, точно забрало у рыцарского шлема, в колпаке открывалась и закрывалась маленькая дверка.

Летучая мышь с закрытой дверкой на колпаке не могла летать, натыкалась на предметы. Стоило лишь в бумажном шлеме поднять забрало, как зверек преображался, его полет вновь становился точным и уверенным.

Свои наблюдения Дийграаф опубликовал в 1940 году. А в 1946 году советский ученый профессор А. П. Кузякин начал серии опытов над летучими мышами. Он залепил им пластилином рот и уши и выпустил в комнате с натянутыми вдоль и поперек веревками -- почти все зверьки не смогли летать. Экспериментатор установил интересный факт: летучие мыши, впервые пущенные в помещение для пробного полета с открытыми глазами, «многократно и с большой силой, как только что пойманные птицы, ударялись о стекла незанавешенных окон». Это происходило днем. Вечером при свете электрической лампы мыши уже не натыкались на стекла. Значит, днем, когда хорошо видно, летучие мыши доверяют больше зрению, чем другим органам чувств. А ведь зрению летучих мышей многие исследователи склонны были совсем не придавать значения.

Профессор А. П. Кузякин продолжал опыты в лесу. На головы зверькам -- рыжим вечерницам -- он надел колпачки из черной бумаги. Зверьки не могли теперь ни видеть, ни употребить свой акустический радар. Летучие мыши не рискнули лететь в неизвестность Они раскрывали крылья и опускались на них, как на парашютах, на землю. Лишь некоторые отчаянные полетели на авось. Результат был печальным: они ударились о деревья и упали на землю. Тогда в черных колпачках вырезали три отверстия: одно для рта, два для ушей. Зверьки без страха пустились в полет. А. П. Кузякин пришел к выводу, что органы звуковой ориентировки летучих мышей «могут почти полностью заменить зрение, а органы осязания никакой роли в ориентировке не играют, и зверьки ими в полете не пользуются».

Несколькими годами раньше американские ученые Д. Гриффин и Р. Галамбос применили другую методику для изучения загадочных способностей летучих мышей.

Начали они с того, что просто поднесли этих зверюшек к аппарату Пирса -- прибору, который мог «слышать» ультразвуки. И сразу же стало ясно, что летучие мыши «издают множество криков, но почти все они попадают в диапазон частот, лежащих за порогом возможностей человеческого уха», -- писал Дональд Гриффин позднее.

С помощью электротехнической аппаратуры Гриффин и Галамбос сумели обнаружить и исследовать физическую природу «криков» летучих мышей. Установили также, вводя особые электроды во внутреннее ухо подопытных зверьков, какой частоты звуки воспринимают органы их слуха.

5. Летучие мыши-рыболовы

Малая рыжая ночница начинает свое стрекотанье звуком с частотой около девяноста килогерц, а заканчивает его нотой в сорок пять килогерц. За две тысячные доли секунды, пока длится ее «крик», сигнал пробегает по шкале частот вдвое более длинный диапазон, чем весь спектр воспринимаемых человеческим ухом звуков! В «крике» около пятидесяти звуковых волн, но среди них нет и двух одинаковой длины. Таких частотно-модулированных «криков» следует десять или двадцать каждую секунду. Приближаясь к препятствию или к ускользающему комару, летучая мышь учащает свои сигналы. Теперь уже стрекочет она не 12, а 200 раз в секунду.

Гриффин пишет: «В одном из удобных типов подслушивающей аппаратуры каждый высокочастотный писк, издаваемый летучей мышью, прозвучит в телефоне, как щелчок». Если с этим аппаратом прийти на опушку леса, где летучие мыши охотятся за комарами, то, когда одна из них будет пролетать мимо, услышим в наушниках не очень торопливое постукивание «путт-путт-путт-путт», «как от старого ленивого газолинового мотора».

Но вот летучая мышь пустилась в погоню за мотыльком или решила обследовать подброшенный вверх камешек -- сейчас же скороговоркой застучало «пит-пит-пит-пит-биззз». Теперь уже «звуки следуют друг за другом, как выхлопы разгоняющегося мотоцикла».

Мотылек почувствовал погоню и ловкими маневрами пытается спасти свою жизнь. Но летучая мышь ловка не меньше, выписывая в небе причудливые пируэты, настигает его -- и в телефоне уже не дробные выхлопы, а монотонное жужжание электрической пилы.

Сравнительно недавно были открыты летучие мыши-рыболовы. Сонар у них тоже частотно-модуляционного типа. Уже описано четыре вида таких мышей. Обитают они в тропической Америке. В сумерки (а некоторые даже и после полудня) вылетают они на добычу и охотятся всю ночь. Порхают низко над водой, вдруг опускают в воду лапки, выхватывают рыбешку и тут же отправляют ее в рот. Лапки у рукокрылых рыболовов длинные и когти на них острые и кривые, как у скопы -- их пернатого конкурента, только, конечно, не такие большие.

Некоторых рыбоядных летучих мышей называют заячье-губыми. Раздвоенная нижняя губа отвисает у них вниз, и полагают, что по этому каналу порхающая над морем мышь направляет свои зондирующие звуки прямо вниз, в воду.

Пробив толщу вод, «стрекотанье» отражается от плавательного пузыря рыбешек и его эхо возвращается к рыболову. Поскольку тело рыбы больше чем на девяносто процентов состоит из воды, оно почти не отражает подводные звуки. Но наполненный воздухом плавательный пузырь представляет собой достаточно «непрозрачный» для звука экран.

Когда звук из воздуха попадает в воду и, наоборот, из воды в воздух, то теряет более 99,9 процента своей энергии. Это давно известно физикам. Даже если звук падает на поверхность воды под прямым углом, лишь 0,12 процента его энергии распространяется под водой. Значит, сигналы летучей мыши, совершив двойной поход через границу «воздух -- вода», должны потерять из-за высоких тарифов, которые здесь существуют, так много энергии, что сила звука станет в полтора миллиона раз слабее!

Кроме того, будут и другие потери: не вся звуковая энергия отразится от рыбы и не вся, пробившись вновь в воздух, попадет в уши эхолотирующего зверька.

После всех этих рассуждений не очень-то верится, что эхолокация «воздух -- вода» не миф, а реальность.

Однако Дональд Гриффин подсчитал, что рукокрылый рыболов получает обратно из-под воды лишь вчетверо менее мощное эхо, чем обычная летучая мышь, эхолотирующая насекомых в воздухе. Это уже не так плохо. Больше того, если допустить, что сонары летучих мышей засекают насекомых не за два метра, как он предполагал при своих расчетах, а уже с двух метров восьмидесяти сантиметров (что вполне возможно), то интенсивность возвратного сигнала будет одинаковой у обоих -- и у рыболова, и у комаролова.

«Здравый смысл, -- заключает Гриффин, -- и первое впечатление могут ввести в заблуждение, когда мы имеем дело с вопросами, лежащими вне области обычного человеческого опыта, на котором ведь как раз и построено то, что мы называем здравым смыслом».

6. И летучие мыши ошибаются

Подобно людям летучие мыши тоже могут ошибаться. И такое нередко случается, когда они устали или еще толком не проснулись после проведенного в темных углах дня. Это доказывают изувеченные трупы летучих мышей, еженощно разбивающихся об Эмпайр-Билдинг и другие небоскребы.

Если низко над рекой натянуть проволоку, то летучие мыши обычно задевают за нее, когда спускаются к воде, чтобы утолить жажду несколькими слизанными на лету каплями. Зверьки слышат одновременно два эха: громкое от поверхности воды и слабое от проволоки -- и не обращают внимания на последнее, оттого и разбиваются о проволоку.

Летучие мыши, привыкая летать по давно испытанным трассам, избирают гидом свою память и не прислушиваются тогда к протестам сонара. Исследователи провели с ними такие же опыты, что и с пчелами на старом аэродроме. (Помните?) Соорудили разного рода препятствия на проторенных веками путях, которыми летучие мыши каждый вечер вылетали на охоту, а на рассвете возвращались обратно. Зверьки наткнулись на эти препятствия, хотя их сонары работали и заранее подавали пилотам сигналы тревоги. Но они больше верили своей памяти, чем ушам. Нередко ошибаются летучие мыши еще и потому, что букашки, за которыми они охотятся, тоже не простаки: обзавелись многие из них анти сонарами.

В процессе эволюции у насекомых выработался ряд защитных от ультразвука приспособлений. Многие ночные мотыльки, например, густо покрыты мелкими волосками. Дело в том, что мягкие материалы: пух, вата, шерсть -- поглощают ультразвук. Значит, мохнатых мотыльков труднее запеленговать. У некоторых ночных насекомых развились чувствительные к ультразвуку органы слуха, которые помогают им заблаговременно узнавать о приближающейся опасности. Попадая в радиус действия эхолота летучей мыши, они начинают метаться из стороны в сторону, пытаясь выбраться из опасной зоны. Ночные бабочки и жуки, запеленгованные летучей мышью, применяют даже такой тактический прием: складывают крылья и падают вниз, замирая в неподвижности на земле. У этих насекомых органы слуха воспринимают обычно звуки двух разных диапазонов: низкочастотного, на котором «разговаривают» их сородичи, и высокочастотного, на котором работают сонары летучих мышей. К промежуточным частотам (между двумя этими диапазонами) они глухи.

7. Крики в бездне

эхолокация эхопеленг дельфин радар

После полудня 7 марта 1949 года исследовательское судно «Атлантик» прослушивало море в ста семидесяти милях к северу от Пуэрто-Рико. Внизу под кораблем были огромные глубины. Пятикилометровые толщи соленой воды наполняли гигантскую впадину в земле.

И вот из этой бездны донеслись громкие крики. Один крик, потом его эхо. Еще крик, и опять эхо. Много криков подряд с промежутком примерно полторы секунды. Каждый длился около трети секунды, и высота его тона была пятьсот герц.

Тут же подсчитали, что неведомое существо упражнялось в вокальных соло на глубине примерно трех с половиной километров. Эхо его голоса отражалось от морского дна и потому добегало до приборов корабля с некоторым запозданием.

Поскольку киты не ныряют так глубоко, а раки и крабы не производят столь громких звуков, биологи решили, что в бездне кричала какая-то рыба. И кричала с целью: звуком зондировала океан. Измеряла, попросту говоря, его глубину. Изучала местность, рельеф дна.

Идея эта теперь мало кому кажется невероятной. Ибо уже точно установлено, что рыбы, которых долго считали немыми, издают тысячи всевозможных звуков, ударяя особыми мышцами по плавательным пузырям, как по барабану. Другие скрежещут зубами, щелкают костяшками своей брони. Многие из этих тресков, скрипов и писков звучат в ультракоротком диапазоне и употребляются, по-видимому, для эхолокации и ориентировки в пространстве. Значит, как и у летучих мышей, у рыб есть свои сонары.

Эхолокаторы рыб еще не изучены, но у дельфинов исследованы они прекрасно. Дельфины очень «болтливы». Ни минуты не помолчат. Большая часть их криков составляет разговорный, так сказать, лексикон, но он нас сейчас не интересует. Другие же явно обслуживают сонары.

Дельфин афалина свистит, щелкает, хрюкает, лает, визжит на разные голоса в диапазоне частот от ста пятидесяти до ста пятидесяти пяти тысяч герц. Но когда он и «молча» плывет, его сонар постоянно ощупывает окрестности «дождем» быстрых криков, или, говорят еще, клаков. Они длятся не больше нескольких миллисекунд и повторяются обычно пятнадцать -- двадцать раз в секунду. А иногда и сотни раз!

Малейший всплеск на поверхности -- и дельфин сейчас же учащает свои крики, «ощупывая» ими погружающийся предмет. Эхолокатор дельфина настолько чувствителен, что даже маленькая дробинка, осторожно опущенная в воду, не ускользнет от его внимания. Рыба, брошенная в водоем, засекается немедленно. Дельфин пускается в погоню. Не видя в мутной воде добычу, безошибочно преследует ее. Вслед за рыбой точно меняет курс. Прислушиваясь к эху своего голоса, дельфин слегка наклоняет голову то в одну, то в другую сторону, как и человек, пытающийся точнее установить направление звука.

Если опустить в небольшой бассейн несколько десятков вертикальных стержней, дельфин быстро плывет между ними, не задевая их. Однако крупноячеистые сети он, по-видимому, не может обнаружить своим эхолокатором. Мелкоячеистые «нащупывает» легко.

Дело здесь, видимо, в том, что крупные ячеи слишком «прозрачны» для звука, а мелкие отражают его, почти как сплошная преграда.

Вильям Шевилл и Барбара Лоренс-Шевилл, научные сотрудники Вудсхольского океанографического института, серией интересных опытов показали, насколько тонкое у дельфина акустическое «осязание».

Дельфин плавал в небольшой, отгороженной от моря бухточке и все время «поскрипывал». А иногда прибор дико скрежетал от слишком быстрых, скороговоркой произнесенных клаков. Случалось это тогда, когда в воду бросали кусочки рыбы. Не просто бросали, а тихонько без всякого всплеска укладывали на дно. Но от дельфина было трудно утаить самое бесшумное подбрасывание пищи в пруд, даже если он плавал на другом его конце за двадцать метров от места диверсии. А вода в этой луже была такая мутная, что когда погружали в нее на полметра металлическую пластинку, та словно растворялась: даже самый зоркий человеческий глаз не мог ее увидеть.

Экспериментаторы опускали в воду маленьких рыбешек сантиметров около пятнадцати длиной. Дельфин моментально засекал рыбку эхолокатором, хотя она едва была погружена: человек держал ее за хвост.

Считают, что клаки служат дельфину для ближней ориентировки. Общая разведка местности и ощупывание более удаленных предметов производятся свистом. И свист этот частотно модулирован! Но в отличие от такого же типа сонаров летучих мышей начинается он более низкими нотами, а заканчивается высокими.

Другие киты -- и кашалоты, и финвалы, и белухи -- тоже, по-видимому, ориентируются с помощью ультразвуков. Вот только не знают еще, чем они издают эти звуки. Одни исследователи думают, что дыхалом, то есть ноздрей и воздухоносными мешками дыхательного канала, другие -- что горлом. Хотя настоящих голосовых связок у китов и нет, но их с успехом могут заменить -- так некоторые считают -- особые наросты на внутренних стенках гортани.

А может быть, и дыхало, и гортань в равной мере обслуживают передающую систему сонара.

8. Радар водяного слона

Среди многочисленных священных животных Древнего Египта была одна рыбка, обладающая совершенно уникальными способностями.

Рыба эта -- мормирус, или водяной слон. Челюсти у нее вытянуты в небольшой хоботок. Необъяснимая способность мормируса видеть невидимое казалась сверхъестественным чудом. Изобретение радиолокатора помогло раскрыть тайну.

Оказывается, природа наделила водяного слона удивительнейшим органом -- радаром!

У многих рыб, всем известно, есть электрические органы. У мормируса в хвосте помещается тоже небольшая «карманная батарейка». Напряжение тока, который она вырабатывает, невелико -- всего шесть вольт, но этого достаточно.

Каждую минуту радиолокатор мормируса посылает в пространство восемьдесят -- сто электрических импульсов. Возникающие от разрядов «батарейки» электромагнитные колебания частично отражаются от окружающих предметов и в виде радиоэха вновь возвращаются к мормирусу. «Приемник», улавливающий эхо, расположен в основании спинного плавника удивительной рыбки. Мормирус «ощупывает» окрестности с помощью радиоволн!

Сообщение о необычных свойствах мормируса было сделано в 1953 году Восточноафриканским ихтиологическим институтом. Сотрудники института заметили, что содержавшиеся в аквариуме мормирусы начинали беспокойно метаться, когда в воду опускали какой-нибудь предмет, обладающий высокой электропроводностью, например кусок проволоки. Похоже, мормирус обладает способностью ощущать изменения электромагнитного поля, возбужденного его электрическим органом? Анатомы исследовали рыбку. Парные ветви крупных нервов проходили вдоль ее спины от головного мозга к основанию спинного плавника, где, разветвляясь на мелкие веточки, заканчивались в тканевых образованиях на равных друг от друга интервалах. Видимо, здесь помещается орган, улавливающий отраженные радиоволны. Мормирус с перерезанными нервами, обслуживающими этот орган, терял чувствительность к электромагнитному излучению.

Живет мормирус на дне рек и озер и питается личинками насекомых, которых извлекает из ила длинными челюстями, словно пинцетом. Во время поисков пищи рыбка окружена обычно густым облаком взбаламученного ила и ничего вокруг не видит. Капитаны кораблей по собственному опыту знают, насколько незаменим в таких условиях радиолокатор.

Мормирус не единственный на свете «живой радар». Замечательный радиоглаз обнаружен также в хвосте электрического угря Южной Америки, «аккумуляторы» которого развивают рекордное напряжение тока -- до пятисот вольт, а по некоторым данным, до восьмисот вольт!

Американский исследователь Кристофор Коутес после серии экспериментов, проведенных в Нью-йоркском аквариуме, пришел к выводу, что небольшие бородавки на голове электрического угря -- антенны радиолокатора. Они улавливают отраженные от окружающих предметов электромагнитные волны, излучатель которых расположен в конце хвоста угря. Чувствительность радарной системы этой рыбы такова, что угорь, очевидно, может установить, какой природы предмет попал в поле действия локатора. Если это годное в пищу животное, электрический угорь немедленно поворачивает голову в его сторону. Затем приводит в действие мощные электрические органы передней части тела -- мечет в жертву «молнии» -- и не спеша пожирает убитую электрическим разрядом добычу.

В тех же реках, где лениво дремлют у дна электрические угри, снуют в зарослях элегантные ножи-рыбы -- айгенмании. Вид у них странный: спинных плавников нет и хвостового тоже (лишь голый тонкий шпиль на хвосте). И ведут себя эти рыбы необычно: вертят этим самым шпилем во все стороны, словно принюхиваются хвостом. И прежде чем залезть под корягу или в пещерку на дне, суют в щель сначала опять-таки хвост, а потом, если обследование дало положительные, так сказать, результаты, сами туда забираются. Но лезут не головой вперед, а хвостом. Похоже, рыбки ему больше доверяют, чем глазам.

Все объяснилось очень просто: на самом конце нитевидного хвоста айгенмании ученые обнаружили электрический «глаз», как у мормируса.

У гимнотид, очень похожих на айгенмании тропических американских рыбок, по-видимому, тоже есть радары, хотя это еще и не доказано.

Недавно доктор Лиссман из Кембриджа снова заинтересовался давно уже изученным зоологами электрическим сомом, обитающим в реках Африки. Эта рыба, способная развить напряжение тока до двухсот вольт, охотится ночью. Но у нее очень «близорукие» глаза, и в темноте она плохо видит. Как же тогда находит сом добычу? Доктор Лиссман доказал, что подобно электрическому угрю электрический сом свои мощные аккумуляторы использует и как радар.

Заключение

Из выше изложенного можно сделать вывод, что природа, по-видимому, не очень скупилась, когда наделяла своих детей сонарами. От летучих мышей к дельфинам, от дельфинов к рыбам, птицам, крысам, мышам, обезьянам, к морским свинкам, жукам переходили исследователи со своими приборами, всюду обнаруживая ультразвуки. Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также её используют землеройки, ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро, саланганы и др.).

Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным; вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана. Вместо световой волны для локации стала использоваться звуковая.

Данный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.

Литература

1. Морозов В. П. Занимательная биоакустика. Изд. 2-е, доп., перераб. -- М.: Знание, 1987. -- 208 с. + 32 с. вкл. -- С. 30-36

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

В физике звуком называют любые упругие волны, при этом волны, частота которых меньше 16 Гц называются инфразвуковыми, а волны с частотами большими 20 кГц называются ультразвуковыми. Ультразвуковые волны с частотами выше ${10}^9Гц$ называют гиперзвуковыми.

Ультразвук

Ультразвуковая волна состоит из чередований сгустков и участков разряжения частиц среды. Ультразвуковая волна распространяется со скоростью, зависящей от свойств вещества и его температуры. Скорость звуковой волны в воздухе при температуре 200 С равна примерно 343,1 $\frac{м}{с}$.

Так как длина волны ($\lambda $) зависит от частоты, с ростом частоты длина волны уменьшается, следовательно, длина ультразвуковой волны много меньше, чем длина волны звука, который слышит человек.

Излучатели и приемники ультразвука

Ультразвуком называются механические волны, частота которых более 2$\cdot {10}^4$Гц. Верхний предел частоты ультразвука определяют расстояния между молекулами, следовательно, зависит от агрегатного состояния среды, в которой он распространяется. Ультразвук может возникать как в результате природных процессов, так и генерироваться искусственно.

К естественным источникам ультразвука можно отнести животных, которые его издают. Животные генерируют и воспринимают ультразвук при помощи специальных рецепторных аппаратов. Ультразвук помогает им ориентироваться в пространстве. Ультразвуковые колебания, создаваемые животными, отражаются от предметов и воспринимаются специализированными органами слуха как преграды на пути. Издавать ультразвуки могут так же, например, кузнечики, сверчки, дельфины. Слуховой аппарат некоторых насекомых, птиц и животных способен воспринимать более широкий диапазон колебаний звука, чем у человека.

Так верхние границы звуковых частот воспринимаемых:

• лягушками составляет $\nu =3\cdot {10}^4Гц$;
• собаками$\ \nu =6\cdot {10}^4Гц$;
• кошками $\nu ={10}^5Гц$;
• кузнечиками $\nu ={10}^5Гц$;
• летучими мышами $\nu =1,5\cdot {10}^5Гц$;
• бабочками $\nu =1,6\cdot {10}^5Гц$;
• дельфинами $\nu =2\cdot {10}^5Гц$;
• чайками $\nu =8\cdot {10}^3Гц.$

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: ураганы, бури и некоторые виды землетрясений. Некоторые животные используют инфразвук при охоте, так считают, что тигр может издавать рев, имеющий частоту 18 Гц. Слоны применяют инфразвук для коммуникаций.

Человек не слышит инфразвук, но эти волны способны вызывать у него беспокойство, страх. Инфразвук может вызывать у человека агрессию.

Некоторые музыкальные инструменты позволяют генерировать инфразвуки. Некоторые музыкальные произведения, состоящие из прерывистых пульсаций, могут вызвать биопсихическую реакцию организма человека, которая может оказать влияние на функции органов человека.

Механизмы, которые работают с частотами меньшими 20$\frac{об}{с},$ генерируют инфразвук. Если автомобиль перемещается со скоростью более 100 $\frac{км}{ч}$, то он источник инфразвука, появляющегося за счет отрыва потока воздуха с его поверхности.

Действие волн инфразвука

Многие процессы, которые происходят в организме человека, находятся в диапазоне частот соответствующем частоте инфразвука, так:

• человеческое сердце сокращается с частотой 1-2 Гц;
• дельта - ритм мозга составляет 0,5-3,5 Гц;
• альфа ритм мозга - 8-13 Гц.

Если колебания инфразвуковой волны совпадает с колебаниями органов человека, то вследствие резонанса, можно получить травму резонирующего органа. От 8 до 15 Гц - это собственная частота колебаний человеческого тела. Можно сказать, что любое движение каждой мышцы создает затухающую микро судорогу тела с этой частотой. Если на тело человека воздействовать инфразвуком и попасть в резонанс, амплитуда микро судорог увеличится в десятки раз.

При частоте инфразвука 7-13 Гц (частота землетрясений и тайфунов, извержения вулканов) животные стараются покинуть очаг стихийного бедствия.

Самым опасным считают инфразвук с частотами 6-9 Гц. Частота инфразвука 7 Гц соответствует колебаниям мозга в состоянии покоя, при таком звуке психотропный эффект максимален, любая умственная нагрузка невозможна, голова разрывается. В середине XX века экспериментально установили, что при частоте инфразвука 6 Гц человек чувствует усталость, затем беспокойство, которое переходит в ужас. При 7 Гц возможно наступление паралича сердца и нервной системы.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Летучая мышь издает ультразвук с частотой ${\nu }_0,$ двигаясь в направлении неподвижного резонатора, который настроен на частоту ${\nu }_r\ (рис.1)$. С какой скоростью двигалась мышь, если созданные ей звуковые волны вызвали колебания резонатора? Температура воздуха $T,\ $молярная масса $\mu $, коэффициент Пуассона - $\gamma $.

Решение. В соответствии с эффектом Доплера частота звука, который будет воспринимать резонатор, равна:

\[\nu =\frac{v"+u}{v"-v}{\nu }_0\left(1.1\right),\]

где ${\nu }_0$ - частота звука, который издает мышь; $v"$ - скорость звука в веществе (в воздухе). Так как резонатор неподвижен, то выражение (1.1) преобразуем к виду:

\[\nu =\frac{v"}{v"-v}{\nu }_0\left(1.2\right),\]

Из формулы (1.2) получим скорость полета мыши:

Скорость звука найдем, как:

Для того чтобы волны, которые приходят к резонатору вызывали его колебания их частота должна совпадать с собственной частотой резонатора:

\[\nu ={\nu }_r\left(1.5\right).\]

Учитывая (1.4) и (1.5) выражение (1.3) преобразуем к виду:

Ответ. $v=\sqrt{\frac{\gamma RT}{\mu }}\left(1-\frac{{\nu }_0}{{\nu }_r}\right)\ \frac{м}{с}$

Пример 2

Задание. Почему для коммуникации дельфины применяют ультразвуки с частотой порядка 10-400 Гц, а для звуковой локации используют частоты 750 - $3\cdot {10}^5Гц$?

Решение. Для того чтобы получить большую точность местоположения окружающих объектов следует применять волны, имеющие большие частоты (небольшие длины), так как если размеры предметов больше длины волны, то получается зеркальное отражение волны. С целью осуществления коммуникации целесообразнее использовать длинные волны (низкие частоты), которые слабо затухают при преодолении существенных расстояний.

Р е ф е р а т

По дисциплине: физика биологических систем
на тему: Ультразвуки и инфразвуки в природе и технике

Введение

Инфразвук (от латинского infra - ниже, под), упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16--25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределенна. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей Гц., т. е. с периодами в десяток секунд. Обычно слух человека воспринимает колебания в пределах 16-20000 Гц (колебаний в секунду). Инфразвук вызывает нервное перенапряжение, недомогание, головокружение, изменение деятельности внутренних органов, особенно нервной и сердечно - сосудистой систем.
Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень далёкие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении места сильных взрывов или положения стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказания стихийного бедствия -- цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, применяются для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды. "Голос моря" - это инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре, в результате вихреобразования за гребнями волн. Вследствие того, что для инфразвука характерно малое поглощение, он может распространяться на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения области шторма, то "голос моря" может служить для заблаговременного предсказания шторма. Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. На краю "колокола" у медузы расположены примитивные глаза и органы равновесия - слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть "уши" медузы. Они слышат инфразвуки с частотой 8 - 13 Гц. Шторм разыгрывается еще за сотни километров от берега, он придет в эти места примерно часов через 20, а медузы уже слышат его и уходят на глубину. Длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте 3.5 Гц она равна 100 метрам), проникновение в ткани тела также велико. Можно сказать, что человек слышит инфразвук «всем телом».
Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии. Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё в позапрошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и развитием таких её разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники и в особенности с рождением квантовой электроники.
Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надёжных средств излучения и приёма акустических волн, с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой -- позволивших продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощностей от долей милливатта до десятков киловатт.
Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей. В качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях. Ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины. В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли. В самое последнее время сформировались как самостоятельные области акустоэлектроника и акустооптика. Первая из них связана с обработкой электрических сигналов, использующей преобразование их в ультразвуковые. Из устройств акустоэлектроники наиболее известными и давно используемыми являются линии задержки и фильтры. Достижения в области изучения поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом теле привели к существенному расширению возможностей этих устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обеспечивающих более сложную обработку сигналов. Акустооптика, связанная с обработкой световых сигналов посредством ультразвука, является одной из самых молодых и быстро развивающихся областей ультразвуковой техники. К новейшим ультразвуковым методам принадлежит акустическая голография, перспективы которой весьма многообещающи, поскольку она создаёт возможность получения изображений предметов в непрозрачных для световых лучей средах. Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы диагностики. Об ультразвуковой терапии, занявшей прочное положение среди современных физиотерапевтических методов, и, наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в медицине -- ультразвуковой хирургии. Наряду с применениями практического характера, ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Нельзя себе представить современную физику твёрдого тела без применения ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фотонах, их поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуждениями в твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов широко используются методы молекулярной акустики; всё большую роль играют ультразвуковые методы в биологии. Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности. Растёт число публикаций о нём в газетах и журналах, в популярных изданиях. Инженеры и научные работники, занятые в самых различных областях народного хозяйства и науки, оценивают возможности использования ультразвуковых методов для своих конкретных задач и в связи с этим хотят получить представление о различных аспектах физики и техники ультразвука на современном уровне. Однако имеющаяся научно-техническая литература в настоящее время не в состоянии полностью удовлетворить такую потребность. Известные издания общего характера, посвящённые физике и технике ультразвука, зачастую не соответствуют современному состоянию науки. Опубликованные в последние годы специальные монографии научного и прнкладного характера предназначены для подготовленных читателей, обладающих достаточным запасом знаний в области акустики и смежных разделов физики, например, физики твёрдого тела, или в какой-то определенной, связанной с ультразвуком отрасли техники. В этой работе описаны основные темы, касающиеся инфразвука, ультразвука в природе и технике.

Ультразвук, инфразвук и человек

В последнее время все более широкое распространение в производстве находят технологические процессы, основанные на использовании энергии ультразвука. Ультразвук нашел также применение в медицине. В связи с ростом единичных мощностей и скоростей различных агрегатов и машин растут уровни шума, в том числе и в ультразвуковой области частот.
Ультразвуком называют механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/см 2).
Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома.
Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер.
При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции.
Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия.
Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект. Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, составляет гигиеническое нормирование.
В соответствии с ГОСТ 12.1.01-89 "Ультразвук. Общие требования безопасности", "Санитарными нормами и правилами при работе на промышленных ультразвуковых установках" (№ 1733-77) ограничиваются уровни звукового давления в высокочастотной области слышимых звуков и ультразвуков на рабочих местах (от 80 до 110 дБ при среднегеометрических частотах третьоктавных полос от 12,5 до 100 кГц).
Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм операторов технологических установок, персонала лечебно-диагностических кабинетов состоят в первую очередь в проведении мероприятий технического характера. К ним относятся создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах на 20-40 дБ; размещение оборудования в звуко-изолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением; оборудование звукоизолирующих устройств, кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами.
При проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона - не ниже 22 кГц.
Чтобы исключить воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо устанавливать систему автоматического отключения ультразвуковых преобразователей при операциях, во время которых возможен контакт (например, загрузка и выгрузка материалов). Для защиты рук от контактного действия ультразвука рекомендуется применение специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой.
Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты - противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой и др.
Развитие техники и транспортны) средств, совершенствование технологических процессов и оборудования сопровождаются увеличением мощности и габаритов машин что обусловливает тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах и появление инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.
Инфразвуком называют акустические колебания с частого! ниже 20 Гц. Этот частотный диапазон лежит ниже порога слышимости и человеческое ухо не способно воспринимать колебания указанных частот.
Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов что и шум слышимых частот. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения).
Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.
Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора.
В соответствии с Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах (№ 2274-80) по характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. Гармонический характер спектра устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный.
Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц. Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ Лин. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.
Наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение должно отдаваться малогабаритным машинам большой жесткости, так как в конструкциях с плоскими поверхностями большой площади и малой жесткости создаются условия для генерации инфразвука. Борьбу с инфразвуком в источнике возникновения необходимо вести в направлении изменения режима работы технологического оборудования - увеличения его быстроходности (например, увеличение числа рабочих ходов кузнечно-прессовых машин, чтобы основная частота следования силовых импульсов лежала за пределами инфразвукового диапазона).
Должны приниматься меры по снижению интенсивности аэродинамических процессов - ограничение скоростей движения транспорта, снижение скоростей истечения жидкостей (авиационные и ракетные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, системы сброса пара тепловых электростанций и т.д.).
В борьбе с инфразвуком на путях распространения определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа, обычно при наличии дискретных составляющих в спектре инфразвука.
Выполненное в последнее время теоретическое обоснование течения нелинейных процессов в поглотителях резонансного типа открывает реальные пути конструирования звукопоглощающих панелей, кожухов, эффективных в области низких частот.
В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия сопутствующего шума. К мерам профилактики организационного плана следует отнести соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ. При контакте с ультразвуком более 50% рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 часа работы. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур - массаж, УТ-облучение, водные процедуры, витаминизация и др.

Ультразвук и инфразвук в приро де

Сонар дельфина.

То, что у дельфина необычайно развитый слух, известно уже десятки лет. Объемы тех отделов мозга, которые заведуют слуховыми функциями, у него в десятки(!) раз больше, чем у человека (при том, что общий объем мозга примерно одинаков). Дельфин способен воспринимать частоты звуковых колебаний, в 10 раз более высокие (до 150 кГц), чем человек (до 15-18 кГц), и слышит звуки, мощность которых в 10-30 раз ниже, чем у звуков, доступных слуху человека, каким бы хорошим ни было зрение дельфина, его возможности ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную локацию: слушает эхо, возникающее при отражении издаваемых им звуков от окружающих предметов. Эхо дает ему точные сведения не только о положении предметов, но и об их величине, форме, материале. Иными словами, слух позволяет дельфину воспринимать окружающий мир не хуже или даже лучше, чем зрение.
Слух человека позволяет различать интервалы времени примерно от одной сотой секунды (10 мс). Дельфины же различают интервалы в десятитысячные доли секунды (0.1-0.3 мс). То же наблюдается и при действии других пробных звуков. Два коротких звуковых импульса отличаются от одного, когда интервал между ними составляет всего 0.2-0.3 мс (у человека - несколько мс). Пульсации громкости звука вызывают ответы, когда их частота приближается к 2 кГц (у человека - 50-70 Гц).

Сонары летучих мышей.

Природа наградила летучих мышей способностью издавать звуки с частотой колебаний выше 20000 герц, то есть ультразвуки, недоступные уху человека. Локатор летучих мышей высокоточен, надежен и ультраминиатюрен. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз эффективнее всех локационных систем, созданных человеком. С помощью такого ультразвукового "видения" летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволоку диаметром 0,12-0,05 мм, улавливают эхо, которое в 2000 раз слабее посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделять полезный звук, то есть только тот диапазон, который им нужен.
Летучие мыши издают звуки высотой в 50 000-60 000 Гц и воспринимают их. Этим объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при выключенном зрении (принцип радара). В пределах своего диапазона нормальное человеческое ухо воспринимает все тоны беспрерывно, без пропусков.
У летучих мышей ультразвуки обычно возникают в гортани, которая по устройству напоминает обычный свисток. Выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через него и с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле! Более того, издаваемые звуки очень громкие: если бы мы их улавливали, то воспринимали бы, как рев двигателя реактивного истребителя с близкого расстояния. Не глохнут же летучие мыши потому, что у них есть мышцы, закрывающие уши в момент испускания разведывательных ультразвуков. Безопасность ушей гарантируется совершенством их конструкции: при максимальной частоте следования зондирующих импульсов - 250 в секунду - заслонка в ухе летучей мыши успевает открываться и закрываться 500 раз в секунду.
Поскольку скорость звука значительно превышает скорость движения даже быстрокрылых птиц, эхолокацией можно пользоваться и во время полета. Самым совершенным локатором обладают летучие мыши, развивающие во время охоты большую скорость и постоянно выполняющие в воздухе фигуры высшего пилотажа. О качестве "локаторного" слуха свидетельствуют результаты охоты: самые маленькие хищники уже за 15 минут охоты на комаров, мошек и москитов увеличивают свой вес на 10 процентов. "Навигационный прибор" настолько точен, что в состоянии запеленговать микроскопически малый предмет диаметром всего 0,1 миллиметра. Дональд Гриффин, исследователь эхолокаторов летучих мышей (давший, кстати, им это название), считает, что если бы не эхолот, даже всю ночь, летая с открытым ртом, летучая мышь поймала бы по закону случая одного-единственного комара.

Другие природные сонары.

Сонары имеются также и у ряда других видов животных. Они есть у кашалотов, которые используют их для поиска скоплений глубоководных кальмаров. Сонар кашалота своеобразная дальнобойная пушка", имеющая длину до 5 м и занимающая почти треть тела животного. Эхолокация обнаружена у обитающих в Америке птиц гуахаро. Их сонары менее совершенны, чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают на относительно низких частотах, а именно в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро не замечают в темноте объектов, имеющих небольшие размеры. В пещерах гуахаро очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные крики, напоминающие плач и стоны, трудно переносимые для непривычного уха.
Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы, обитающие в Индонезии и на островах Тихого океана. У разных видов саланганов сонары работают на разных частотах: 2000 до 7000 Гц. Любопытно, что когда птица сидит, её эхолокационный аппарат не работает; локационные импульсы посылаются только в полете (при взмахивании крыльями). Не работает сонар саланганов и на свету.

Ультразвук и инфразвук в техни ке

Применение инфразвука в медицине

В настоящее время инфразвук начинают медленно использовать в медицине. В основном при лечении рака (удаление опухолей), в микрохирургии глаза (лечение заболеваний роговицы) и в некоторых других областях. В России впервые лечение инфразвуком роговицы глаза применили в Российской детской клинической больнице. Впервые в практике детской офтальмологии при лечении заболеваний роговицы применен инфразвук и инфразвуковой фонофорез. Подведение лекарственных веществ к роговице с помощью инфразвука позволило не только ускорить процесс выздоровления, но и способствовало рассасыванию стойких помутнений роговицы, а также снизить количество рецидивов заболевания. Сейчас существуют немало физиоотерапевтических аппаратов использующих метод лечения инфразвуком. Но они имеют применение лишь в узких специализациях. По применению инфразвука против рака известно очень мало, существуют единичные устройства такого типа. Хотя перспективность их применения не вызывает больших сомнений. Сложность применения обусловлена тем, что инфразвук оказывает губительное воздействие на живой организм, нужно провести сотни испытаний и много лет работы, чтобы найти подходящие параметры воздействия. Будущее этого метода не за горами.

Инфразвуковое (психотронное) оружие и его применение

В XXI веке имеются сведения по разработке и испытаниях инфразвукового оружия некоторыми странами - лидерами на военно-политической мировой арене, в том числе непременно США и Россией. Создатели сверхоружия, основанного на воздействии инфразвука, утверждают, что оно полностью подавляет противника, вызывая у него такие "неотвратимые" последствия, как тошнота и рвота. В основном инфразвуковое оружие применяют против живой силы. По данным исследований, проводившихся в некоторых странах, инфразвуковые колебания могут воздействовать на центральную нервную систему и пищеварительные органы, вызывая паралич, рвоту и спазмы, приводить к общему недомоганию и болевым ощущениям во внутренних органах, а при более высоких уровнях на частотах в единицы Гц - к головокружению, тошноте, потере сознания, а иногда к слепоте и даже смерти.
Инфразвуковое оружие может также вызывать у людей паническое состояние, потерю контроля над собой и непреодолимое желание укрыться от источника поражения(!), что особенно ценно в условиях войны. Определенные частоты могут воздействовать на среднее ухо, вызывая вибрации, которые в свою очередь, становятся причиной ощущений сродни тем, какие бывают при укачивании, морской болезни. Дальность его действия определяется излучаемой мощностью, значением несущей частоты, шириной диаграммы направленности и условиями распространения акустических колебаний в реальной сред Разработчики вооружения такого вида и исследователи его ужасных последствий потратили немало денег из государственной казны.
Инфразвуковое оружие - один из видов ОМП (оружие массового поражения), основанного на использовании направленного излучения мощных инфразвуковых колебаний. Прототипы такого оружия уже существуют и неоднократно рассматривались в качестве возможного объекта для испытаний. Практический интерес представляют колебания с частотой от десятых и даже сотых долей до единиц Гц. Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, в воде и в земной коре могут распространяться на большие расстояния, проникать сквозь бетонные и металлические преграды. Это оружие оказывает психотронное воздействие на ЦНС (центральная нервная система) человека, впоследствии при высоких частотах выводя из строя весь организм. В США разработками этого секретного оружия занимается Пентагон, в частности Минобороны США. Наряду с разработками инфразвуковой пушки, там особое внимание уделяют исследованиям по воздействию этого оружия на человека, выделяются многомилионные трансферты. Ивестно, что разработками такого вида вооружения занимались в СССР, в конце 80-х годов. Из рассказа доктора технических наук В. Канюка: “Я возглавлял секретный комплекс в Подлипках. Он входил в НПО “Энергия” (руководитель - акодемик В.П. Глушко). Во исполнении закрытого Постановления ЦК КПСС и Совмина СССР от 27 января 1986 года мы создали генератор специальных физических полей. Он был способен корректировать поведения огромных масс населения. Выведенная на космическую орбиту, эта аппаратура охватывала своим “лучем” территорию, равную Краснодарскому краю. Средства, ежегодно выделявшиеся на эту и смежные с ней программы, были эквивалентны пяти миллиардам долларов(!)...” (да, именно тех долларов по курсу около 6 руб. за 1 у.е.) Летом 1991 года комитет Верховного Совета СССР опубликовал жутковатую цифру. КГБ (комитет госбезопасности, аналог нашего ФСБ или американского ФБР), Академия наук, Министерство обороны и другие ведомства израсходовали на разработки психотронного оружия полмиллиарда полновесных дореформенных рублей. Одной из главных задач было “дистанционное медико-биологическое и психофизическое воздействие на войска и население противника”. В России (по неофициальным данным) существуют отечественные разработки психотронного оружия основанного на распространении инфразвуковых волн “Лава - 5” и “Русло - 1”. Указывается, что в классификации средств массового поражения (ею пользуются военно-промышленные комплексы развитых стран) появился пункт: “Это оружие с воздействием на генетический аппарат. В определенных кругах оно называется “экологически чистым” и даже “гуманным”, не разрушающим городов и зачастую не убивающим людей, например, как ядерное оружие. Несмотря на низкую разрушающую способность, оно имеет более высокий КПД против живой силы противника (за исключением ядерного оружия и некоторых др.). Это оружие так же интересно не только военным, но и силам полиции, как эффективная мера воздействия во время разгона демонстраций и массовых беспорядках, оно должно в будущем заменить водомётные пушки, резиновые пули и дубинки, слезоточивый газ и др. устаревшие средства. Его так же называют этническим оружием. Можно с уверенностью сказать, что инфразвуковое оружие - это новая веха в разделе оружий массового поражения.

Применение ультразвука в медицине

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.
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.
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). 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 1000кГц) пучком.

Другие технологии

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).
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.
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)
и т.д.................

Область частот ультразвука можно подразделить на три области: Низких частот (Гц) – УНЧ. Средних частот (Гц) – УСЧ. Высоких частот (Гц) – УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими особенностями, временем, расстоянием распространения и применением.

Физические свойства и особенности распространения: Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и малым длинам волн имеет место ряд особенностей ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют см, а в воде см и в стали см.

Совокупность уплотнений и разряжений, сопровождающая распространения ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решетку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики. Томограмма головного мозга человека.

Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа(частота ультразвука 8 МГц)

Волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды, которое называется акустическим течением. Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; она мала и составляет доли % от скорости ультразвука. Фазовая скорость гармонической волны

К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация – рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительное фазе давления.

При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязненных деталей и т.д.) так и вредных (эрозия излучателей и т.д.) явлений.

Генерация ультразвука: Устройства для генерирования ультразвуковых колебаний делятся на две группы: Механические(в них источником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости) Электромеханические(ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической) Форма колебаний (сверху) и частотно-амплитудный спектр (снизу) звуков рояля (основная частота 128 Гц).

Механические излучатели: Механические излучатели ультразвука – воздушные и жидкостные свистки и сирены - отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, КПД около 20-30%. Свисток из рога косули.

Основной недостаток – сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать в измерительных целях; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично – как средства сигнализации. Каждый маяк имеет свою систему оповещения. Чаще всего это сирены и диафоны.

Электромеханические излучатели: Основной метод излучения ультразвука. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели ультразвука, использующие магнитострикционный эффект в никеле и в ряде спец.сплавов, также в ферритах.

Предельная интенсивность излучения определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями их использования. Диапазон интенсивности при генерации очень широк: интенсивности от до 0,1 считаются малыми. Чтобы получить большую интенсивность, чем с поверхности излучателя, можно использовать фокусировку.

L Излечение продольных волн L пластинкой, колеблющейся по толщине в твердое тело:1 – кварцевая пластинка среза Х толщиной, где - длина волны в кварце;2 – металлические электроды;3 – жидкость (трансформаторное масло) для осуществления акустического контакта;4 – генератор электрических колебаний;5 – твердое тело.

Применение ультразвука: Применения ультразвука чрезвычайно разнообразны. Он служит мощным методом исследования различных областей физики(изучение твердого тела и полупроводников), играет большую роль в изучении вещества. Ультразвук широко применяется в технике, биологии и медицине. Изображение человеческого плода (17 недель), полученное с помощью ультразвука частотой 5 мгц.

Ультразвук в технике. Используя явление отражения ультразвука на границе различных сред, констатируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий или для определения уровня воды в недоступных емкостях. Ультразвук малой интенсивности широки используется для целей неразрушающего контроля изделий

При помощи ультразвука осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а их – в световые, оказывается возможным видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. Звуковидение по методу поверхностного рельефа: 1 источник звука; 2 объект; 3 вогнутое зеркало; 4 жидкость; 5 сосуд; 6 экран.

Весьма важную роль ультразвук играет в гидроакустике, поскольку упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся в морской воде. На этом принципе построены такие приборы, как эхолот или гидролокатор. Принцип работы гидролокатора: 1 излучатель; 2 приемник; 3 отражающее тело.

Эксперимент. Для эксперимента взяли ультразвуковой излучатель, создающий воздушные колебания с длиной волны порядка 20 миллиметров. Теоретически, говорят учёные, в таком акустическом поле могут левитировать предметы размером в половину длины волны, а то и меньше. На самом деле: ОНИ ПАРЯТ В ВОЗДУХЕ!

C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Ультразвук и его свойства

В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны, частота и период. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

• 1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
• 2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

Потребности морского флота ведущих держав - Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.