Звуковые волны. Инфразвук, ультразвук, гиперзвук и его применение в технике и технологиях.

Под звуком понимают упругие волны среды, воспринимаемые ухом человека. Опыт показывает, что наше ухо воспринимает как звук механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Упругие волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, с частотой более 20 кГц - ультразвуком.

Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой фазе возникают только продольные волны, в твердых телах, помимо продольных, возникают также и поперечные волны. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ - механические колебания, частоты которых лежат в пределах звуковых частот. Могут распространяться в любой среде. Они излучаются телом, находящимся в этой среде и совершающим звуковые колебания. Для гармонической звуковой волны длина волны λ определяется соотношением

λ = νT,   где ν - скорость звуковых волн в среде, а Т - период волны. Скорость ν зависит от свойств среды: она тем больше, чем больше упругость среды и чем меньше её плотность. Значение ν достигает для упругих твердых тел 5000 м/с, а для газов - сотен метров в секунду, в частности для воздуха ν = 330 м/с (при температуре 00). Следовательно, длины звуковых волн в воздухе лежат в пределах от 16 м до 2 см и соответствуют диапазону звуковых частот от 20 Гц до 15 кГц.

Ультразвук -  упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники.  Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Впервые идея практического использования ультразвука возникла, как известно, в первой половине прошедшего века в связи с разработкой методов и приборов для обнаружения в глубине моря различных объектов: подводных лодок, рифов, подводных частей айсбергов и т.д. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных областях физики, технологии, химии и медицины. Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза. Ультразвук обладает действием:

§     противовоспалительным, рассасывающим

§     аналгезирующим, спазмолитическим

§     кавитационным усилением проницаемости кожи

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком. Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0.001 Гц. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд. Естественные источники

Возникает при землетрясениях, во время бурь и ураганов, цунами. При помощи достаточно сильных инфразвуков (более 60 дБ) общаются между собой киты.

Техногенные источники

К основным техногенным источникам инфразвука относится мощное оборудование — станки, котельные, транспорт, подводные и подземные взрывы. Кроме того, инфразвук излучают ветряные электростанции и, в некоторых случаях, вентиляционные шахты.

Природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, поэтому инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Из-за очень большой длины волны ярко выражена дифракция. ИНФРАЗВУКОВЫЕ АППАРАТЫ (И.а.), машины или устройства, в к-рых для интенсификации технол. процессов в жидких средах используются низкочастотные акустич. колебания. В И. а. реализуются след. физ. эффекты (один или неск. одновременно): кавитация, высокоамплитудное знакопеременное и радиационное (звукового излучения) давления, знакопеременные потоки жидкости, акустич. течения (звуковой ветер), дегазация жидкости и образование в ней множества газовых пузырьков и их равновесных слоев, сдвиг фаз колебаний между взвешенными частицами и жидкостью. Эти эффекты значительно ускоряют окислит.-восстановит., электрохим. и др. р-ции, интенсифицируют в 2-4 раза пром. процессы перемешивания, фильтрования, растворения и диспергирования твердых Материалов в жидкостях, разделения, классификации и обезвоживания суспензий, а также очистку деталей и механизмов и т.д. Применение инфразвука позволяет в неск. раз снизить уд. энерго- и металлоемкость и габаритные размеры аппаратов, а также обрабатывать жидкости непосредственно в потоке при транспортировании их по трубопроводам, что исключает установку смесителей и др. устройств. Одна из наиб. распространенных областей применения инфразвука - перемешивание суспензий.

Гиперзвук — упругие волны с частотами от 109 до 1012—1018 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц — фононов.

В воздухе при нормальных условиях гиперзвук не распространяется вследствие сильного поглощения. Наиболее существенны взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде — сэлектронами проводимости, тепловыми фононами, магнонами.

Свойства гиперзвука позволяют использовать его как инструмент исследования состояния вещества. Особенно велико его значение для изучения физики твёрдого тела. В области технических применений, развитие которых только начинается, уже сейчас существенно его использование для т. н. акустических линий задержки в области СВЧ (ультразвуковые линии задержки).