§ 4.15. Инфразвук и ультразвук

При частотах ниже 16 и выше 20 000 Гц колебания давления уже не воспринимаются человеческим ухом. Продольные волны с частотой колебаний ниже 16 Гц получили название инфразвука. Продольные волны с частотой, превышающей 20 000 Гц, называют ультразвуком.

Инфразвук

Человек не слышит инфразвук, но каким-то образом эти звуки воспринимаются. Опыты показали, что инфразвук вызывает неприятные тревожные ощущения. Причины этого не вполне ясны. Возможно, дело в том, что инфразвук в природе возникает почти всегда при опасных или катастрофических событиях: землетрясениях, цунами, ураганах. Вероятно, в процессе естественного отбора у людей и животных появилась способность улавливать подобные сигналы тревоги.

В технике использовать инфразвук пока не научились.

Ультразвук

Ультразвук применяется в технике и играет большую роль в жизни многих животных. Летучие мыши, киты, дельфины и некоторые насекомые излучают и улавливают ультразвук.

Для получения ультразвука большой интенсивности используют свойство некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли, турмалина) в электрическом поле изменять свои размеры: в зависимости от направления напряженности поля они сжимаются или растягиваются.

Кварцевая пластина, помещенная внутрь плоского конденсатора, к которому приложено переменное напряжение, совершает вынужденные колебания. Любое упругое тело, в том числе и кварцевая пластина, обладает собственными частотами. При совпадении частоты переменного электрического поля с собственной частотой кварцевой пластины наступает резонанс и амплитуда колебаний сильно возрастает. Такая пластина в воде может излучать волны мощностью до нескольких киловатт с каждого квадратного сантиметра поверхности. Существенно, что с помощью коротких волн можно создать остронаправленные пучки, незначительно расширяющиеся по мере распространения.

Мощная ультразвуковая волна способна дробить тела, помещенные в жидкость (кусочки металла превращаются в тонкую взвесь). С его помощью можно дробить камни в желчном пузыре и почках. Ультразвук оказывает сильное биологическое воздействие. Микробы в поле ультразвука погибают. С помощью ультразвука можно стерилизовать молоко и другие продукты.

гидролокатор

В жидкостях ультразвуковые волны затухают слабее, чем в воздухе. Поэтому ультразвук применяется в гидроакустике. Наиболее важным прибором в гидроакустике является эхолот, или гидролокатор. Посылая короткие импульсы ультразвуковых волн, можно уловить импульсы, отраженные от дна или других твердых предметов. По времени запаздывания отраженного сигнала можно судить о расстоянии до препятствия. Так измеряют глубину моря (рис. 4.32), обнаруживают косяки рыб, встречный айсберг или подводную лодку. С помощью эхолота отечественными учеными был открыт подводный хребет в Северном Ледовитом океане.

По отражению ультразвука от раковины или трещины в металлической отливке можно судить о дефектах в изделиях.

Чрезвычайно совершенные ультразвуковые локаторы имеют дельфины и летучие мыши. Дельфины в мутной воде уверенно ориентируются, посылая ультразвуковые импульсы и улавливая импульсы, отраженные от предметов или добычи.

В полной темноте летучие мыши способны летать в комнате, в которой по всевозможным направлениям натянуто множество веревок, не задевая их. Уши с успехом заменяют им глаза. Летучая мышь испускает импульсы ультразвуковых колебаний. Частота колебаний в импульсе составляет 25 000—50 000 Гц. Длительность каждого импульса не превышает 0,015 с.

Любопытно, что ультразвук воспринимают собаки. Можно сделать ультразвуковой свисток и подавать им команды своей собаке. Никто, кроме вашей и других собак, эти команды не услышит.

1. Упругая металлическая пластина длиной l жестко закреплена на одном конце (см. рис. 4.24). Нарисуйте профиль стоячих волн, которые можно возбудить в этой пластине. Каковы собственные частоты пластины, если скорость распространения волн в ней равна υ?

2. Один камертон закреплен в тисках, а другой такой же камертон установлен на резонаторном ящике. Продолжительность звучания какого камертона больше?

3. Колеблющаяся с определенной амплитудой пластина создает волны один раз в воде, а другой раз в воздухе. В каком случае амплитуда колебаний давления в волне больше и почему?