Источник инфразвука в природе

Ультразвук и инфразвук

Мы воспринимаем колебания частой от 20 до 20000 Гц, как звук. Но звук не ограничивается лишь диапазоном частот, который воспринимает человеческое ухо. В зоне с частотами ниже слышимых лежит оболасть инфразвука, а выше — ультразвука.

Ультразвук — упругие колебания среды, волны лежащие в диапазоне выше слышимой области звуков (от 20000 Гц).

Инфразвук — звуковые волны с частотой ниже, чем порог восприятия ухом человека (ниже 20 Гц).

Приведем весь спектр упругих волн в физике:

Ультразвук и инфразвук в природе

В естественной природе ультразвук и инфразвук распространены так же широко, как слышимый звук.

Например, ультразвук является компонентом спектра многих природных звуков: шум водопада, гром. Ультразвук быстро затухает в воздухе, но хорошо распространяется в жидких средах. Еще один пример — летучие мыши и некоторые грызуны, которые используют ультразвук в процессе охоты и ориентации в темноте. Киты и дельфины также генерируют ультразвуковые сигналы для различных целей: охота, ориентация в мутной воде.

Среди природных источников инфразвука: землетрясения, ураганы, удары молний. Многие животные чувствуют воздействие инфразвука и, фиксируя нарастающий инфразвуковой шум, уходят в укрытие, так как инфразвук — предвестник шторма или бури. Инфразвуковые сигналы в живой природе также используются некоторыми животными для общения: киты, слоны. Инфразвук распространяется на большие расстояния во всех средах и мало подвержен поглощению.

Применение ультразвука и инфразвука

Ультразвук известен людям давно, но лишь сравнительно недавно активно используется в медицине, производстве и научных исследованиях.

Источники получения ультразвука делятся на природные и техногенные. Среди способов получения ультразвука:

  1. Механические — струны, трубы, эластичные пластины.
  2. Термические — импульсный ток и электрические разряды в жидкостях и газах при постоянном повышении температуры.
  3. Отпические — лазер.

Инфразвук находит меньшее практическое применение и обладает негативными последствиями от воздействия на организм. При высоких уровнях инфразвука могут возникать чрезмерная утомляемость, сонливость, агрессия, ощущение давления в ушах. Воздействие инфразвука на человека особенно пагубно, если интенсивность инфразвука высокая. При уровне в 180—190 дБ действие инфразвука смертельно. Тем не менее, чувствительность каждого человека к инфразвуку индивидуальна, а обычные уровни инфразвука в повседневной жизни не могут нанести серьезного вреда здоровью.

Летучая мышь издает ультразвук частотой ϑ = 45 кГц и летит перпендикулярно стене со скоростью v = 6 м/с. Какова частота отраженного ультразвука, который услышит мышь? Скорость звука в воздухе принять равной с = 340 м/с.

Согласно с эффектом Доплера, частота отраженного звука определится соотношением:

ϑ 1 = с + v c — v ϑ = 340 + 6 340 — 6 45 · 10 3 = 46 , 6 кГц.

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 $
    u =3cdot <10>^4Гц$;
  • собаками$
    u =6cdot <10>^4Гц$;
  • кошками $
    u =<10>^5Гц$;
  • кузнечиками $
    u =<10>^5Гц$;
  • летучими мышами $
    u =1,5cdot <10>^5Гц$;
  • бабочками $
    u =1,6cdot <10>^5Гц$;
  • дельфинами $
    u =2cdot <10>^5Гц$;
  • чайками $
    u =8cdot <10>^3Гц.$

Генерировать ультразвук может и неживая природа. Он возникает при ветре, ультразвуковые частоты имеются в шуме водопада и звуках моря.

Читайте также:  Из чего состоит супер клей

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

Задание. Летучая мышь издает ультразвук с частотой $<
u >_0,$ двигаясь в направлении неподвижного резонатора, который настроен на частоту $<
u >_r (рис.1)$. 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:

где $<
u >_0$ — частота звука, который издает мышь; $v’$ — скорость звука в веществе (в воздухе). Так как резонатор неподвижен, то выражение (1.1) преобразуем к виду:

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:

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

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

Читайте также:  Как постирать натуральную замшу

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.

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 . В этой работе описаны основные темы, касающиеся инфразвука.

Источники инфразвуковых волн

Источник инфразвука Характерный частотный диапазон инфразвука Уровни инфразвука
Автомобильный транспорт Весь спектр инфразвукового диапазона Снаружи 70-90 дБ, внутри до 120 дБ
Железнодорожный транспорт и трамваи 10-16 Гц Внутри и снаружи от 85 до 120 дБ
Промышленные установки аэродинамического и ударного действия 8-12 Гц До 90-105 дБ
Вентиляция промышленных установок и помещений, то же в метро 3-20 Гц До 75-95 дБ
Реактивные самолеты Около 20 Гц Снаружи до 130 дБ

К основным техногенным источникам инфразвука относится мощное оборудование — станки, котельные, транспорт, подводные и подземные взрывы. Кроме того, инфразвук излучают ветряные электростанции. Природные источники мощного инфразвука – ураганы, извержения вулканов, электрические разряды и резкие колебания давления в атмосфере (уровень от 60 до 90 дБ. Но в этой вредной области инфразвука человек быстро догоняет природу и в ряде случаев уже перегнал ее. Так, при запуске космических ракет типа “Аполлон” рекомендуемое (кратковременное) значение инфразвукового уровня для космонавтов составляло 140 дБ(!), а для обслуживающего персонала и окружающего населения 120 дБ(!). Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разнообразных источников, в том числе от взрывов обвалов и транспортных возбудителей. Он содержатся в шуме атмосферы, леса и моря, их источник — турбулентность атмосферы и ветер (пример, так называемый "голос моря" — инфразвуковые колебания, образующиеся от завихрений ветра на гребнях морских волн, существует и другие виды инфразвуковых волн ветрового происхождения). В воздухе возникают не только поперечные колебания, но и продольные, сила возникающего инфразвука пропорциональна квадрату длины волн. При скорости ветра 20 м/с мощность «голоса» может достигать 3 Вт с каждого метра фронта волны. При определенных условиях шторм генерирует инфразвук мощностью уже в десятки кВт. Причем основное излучение инфразвука идет приблизительно в диапазоне около 6 Гц — наиболее опасном для человека. Надо добавить, что «голос», распространяясь со скоростью звука, значительно опережает ветер и морские волны, к тому же инфразвук весьма слабо рассеивается с расстоянием. В принципе он может распространяться без значительного ослабления на сотни и тысячи километров, как в воздухе, так и в воде, причем скорость водяной волны в несколько раз превышает скорость воздушной. Так что — где-то бушует шторм, а в тысяче километров от этого места экипаж какой-то шхуны сходит от 6-герцового излучения с ума и в ужасе бросается в абсолютно спокойное море. При колебаниях порядка 6 герц человек испытывает чувство беспокойства, часто переходящее в безотчетный ужас; при 7 герцах возможен паралич сердца и нервной системы; при колебаниях на порядок выше возможно разрушение технических устройств. В общем, источников инфразвука довольно таки много. Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию интенсивности уровня инфразвука. Краткое описание техногенных источников инфразвука приведено в нижеследующей таблице:

Читайте также:  Из чего состоит ракушечник

Инфразвук в нашем мире

Инфразвук сопровождает нас в повседневном окружении. Инфразвуковые шумы, производимые градирнями теплоэлектроцентралей, различными устройствами всасывания воздуха или выпуска отработавших газов; неслышимые, но такие вредные инфразвуковые излучения мощных виброплощадок, грохотов, дробилок, транспортеров. Инфразвуковые волны активно распространяются в атмосфере. Всё это сказывается на нашем здоровье. Известны некоторые редкие трагические инценденты, предположительно связанные с инфразвуком. Виднейший акустик Т. Тарноци доложил о гибели в гроте Бордаль (Верхняя Венгрия) трех туристов в условиях резкого изменения атмосферного давления. В сочетании с узким и длинным входным коридором грот являл собой подобие низкочастотного резонатора, а это могло послужить причиной резкого увеличения колебаний давления инфразвуковой частоты.

Периодически наблюдавшееся появление судов — “летучих голландцев” с мертвыми на борту также иногда предположительно приписывали мощным инфразвуковым колебаниям, возникающим во время сильных штормов и тайфунов. Если мы смогли бы снабдить все суда простейшими инфразвуковыми самописцами уровня (инфразвукового шума), чтобы можно было сопоставить затем изменения самочувствия экипажа с записанными колебаниями давления воздушной среды. Пока же специалисты по охране окружающей среды ограничились тем, что установили, например, приемники инфразвука в верхних частях “точечных” зданий и при этом обнаружили следующее: во время сильных порывов ветра уровень инфразвуковых колебаний (частоты 0.1 Гц) достигал на тридцатом этаже 140 дБ, то есть даже несколько превышал порог болевого ощущения уха в диапазоне слышимых частот. В одном эксперименте показано, что даже небольшая, по сравнению с длинной инфразвуковой волны, комната может служить волновым резонатором с частотой 5,5 Гц. Экспериментально показано, что нахождение в разных частях даже небольшого помещения способно вызвать разнонаправленную реакцию органов и систем человека и животных. У человека, который находится в одном конце помещения, падает работоспособность, уменьшается частота различия звуковых импульсов и световых мельканий, резко активируется активность регуляции сосудистой системы и развивается реакция гиперкоагуляции крови (сверхсвёртываемости крови).

Это связано с прямым действием инфразвука на стенки кровеносных сосудов. В тоже самое время у человека, находившегося в противоположном конце помещения умеренно, но статистически достоверно, растет работоспособность, уменьшается активность свертывающих систем крови и улучшаются показатели реакции на частоту световых мельканий и звуковых импульсов.

Зависимость ответной реакции организма на нахождение человека и животных в разных частях одного и того же помещения сохранялась в пределах проверенной интенсивности инфразвука от 80 до 120 дБ и частотах 8, 10 и 12 Гц.

Предельно-допустимые уровни (ПДУ) звукового давления на рабочих местах устанавливается СН (санитарные нормы) 2.2.4/1.8.583-96 дифференцированно для различных видов работ. Общий уровень звукового давления для работ различной степени тяжести не должен превышать 100 дБ, для работ различной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности не более 95 дБ.

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.

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*