Звук и его распространение

Звук распространяется в виде расходящейся сферической  волны, которая заполняет всё  больший объём. С увеличением  расстояния, колебания частиц среды  ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности  передачи звук необходимо концентрировать  в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или  пользуемся рупором. 

Большое влияние  на дальность распространения звука  оказывает дифракция, то есть искривление  звуковых лучей. Чем разнороднее  среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

Инфразвук, ультразвук, гиперзвук. 

Инфразвук – упругие  колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком  частот. Обычно за верхнюю границу  инфразвукового диапазона принимают 15-4- Гц; такое определение условно, поскольку при достаточной интенсивности  слуховое восприятие возникает и  на частотах в единицы Гц, хотя при  этом исчезает тональный характер ощущения, и делаются различимыми лишь отдельные  циклы колебаний. Нижняя частотная  граница инфразвука неопределённа. В настоящее время область  его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц. Таким образом диапазон инфразвуковых частот охватывает около 15-ти октав. 

Инфразвуковые волны  распространяются в воздушной и  водной среде, а также в земной коре( в этом случае их называют сейсмическими  и их изучает сейсмология). К инфразвукам  относятся также низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, в частности транспортных средств, зданий. 

Основная особенность  инфразвука, обусловленная его низкой частотой, - это малое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли  инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более  чем на несколько Дб (децибелл). Из-за большой длины волны на инфразвуковых  частотах мало и рассеяние звука  в естественных средах; заметное рассеяние  создают лишь очень крупные объекты  – холмы, горы, крупные здания и др.. Вследствие малого поглощения и рассеяния инфразвук может распространяться на очень большие расстояния. Известно, что звуки извержения вулканов, атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара, сейсмические волны могут пересекать всю толщу Земли. По этим же причинам инфразвук почти невозможно изолировать, и все звукопоглощающие материалы теряют свою эффективность на инфразвуковых частотах. 

Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых  самолётов, акустическое излучение  реактивных двигателей и др.. Всякий очень громкий звук несёт с  собой, как правило, и инфразвуковую  энергию. Характерно, что излучением инфразвука сопровождается процесс  речеобразования. Существенный вклад  в инфразвуковое загрязнение  среду дают транспортные шумы как  аэродинамического, так и вибрационного  происхождения. 

Установлено, что  инфразвук с высоким уровнем  интенсивности(120Дб и более) оказывает  вредное влияние на человеческий организм. Ещё более вредными являются инфразвуковые вибрации, поскольку  при их воздействии могут возникать  опасные резонансные явления  отдельных органов. Мощный инфразвук  может вызывать разрушение и повреждение  конструкций, оборудования. Вместе с  тем инфразвук вследствие большой  дальности распространения находит  полезное практическое применение при  исследовании океанической среды, верхних  слоёв атмосферы, при определении  места извержения или взрыва. Инфразвуковые  волны, излучаемые при подводных  извержениях, позволяют предсказать  возникновение цунами.  

Ультразвук –  упругие волны с частотами  приблизительно от (1,5 – 2)·104Гц (15 – 20 кГц) до 109 Гц(1ГГц); область частотных  волн от 109 до 1012 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5·104 – 105Гц), ультразвук средних частот(105 – 107Гц), область  высоких частот ультразвука(107 – 109Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется  своими специфическими особенностями  генерации, приёма, распространения  и применения. 

По физической природе  ультразвук представляет собой упругие  волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница  между звуковыми и ультразвуковыми  волнами условна. Однако благодаря  более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место  ряд особенностей распространения  ультразвука. 

Ввиду малой длины  волны ультразвука, характер его  определяется прежде всего молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и  твёрдые тела представляют собой, как  правило, хорошие проводники ультразвука, - затухание в них значительно  меньше. Поэтому области использования  ультразвука средних и высоких  частот относятся почти исключительно  к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и в газах  применяют ультразвук только низких частот. 

Ультразвуковым волнам было найдено больше всего применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в  быту, ультразвук использовали для  бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно  получить ультразвук интенсивностью в  несколько сотен Вт/см2. 

Ультразвуки могут  издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки  высокого тона. В своём полёте они  руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся  на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей  мелкой добычи. Кошки и собаки могут  слышать очень высокие свистящие  звуки (ультразвуки). 

Гиперзвук – это  упругие волны с частотами  от 109 до 1012 – 1013 Гц. По физической природе  гиперзвук ничем не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Благодаря  более высоким частотам и, следовательно, меньшей, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными  становятся взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде –  с электронами проводимости, тепловыми  фононами и др.. Гиперзвук также  часто представляют как поток  квазичастиц – фононов. 

Область частот гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов(так  называемые сверхвысокие частоты).Частота 109 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной  температуре должна быть одного порядка  с длиной свободного пробега молекул  в воздухе при этих же условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что  их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых  телах. Поэтому в газах ( в частности  в воздухе) при нормальном атмосферном  давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание  гиперзвука очень велико и дальность  распространения мала. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низкой температуре. Но даже в таких условиях гиперзвук  способен пройти расстояние лишь в 1, максимум 15 сантиметров.

Список литературы 

1.Хорбенко Иван  Григорьевич: «За пределами слышимого»;2-е  издание,1986г.. 

2.Клюкин Игорь  Иванович: «Удивительный мир звука»;2-е  издание, 1986г.. 

3. Кошкин Н. И., Ширкевич М.Г.: «Справочник по  элементарной физике»; 10-е изд., 1988г. 

4. Интернет: онлайн-библиотека  Мошкова(www.lib.ru). Научно-популярная литература, Физика – онлайн-энциклопедия  в 5 томах, «З», ультразвук, инфразвук,  гиперзвук. http://www.physicum.narod.ru