Звуковые волны. Ультразвук и его использование в технике и медицине.

Колебания мембран, металлических деталей, голосовых связок, происходящие в воздухе с частотой от 20 до 20000 Гц, приводят к смещению около них молекул воздуха и созданию зон повышенной и пониженной концентрации этих молекул (а значит, и зон повышенного и пониженного давления воздуха). Распространение чередующихся зон повышенного и пониженного давления или продольных колебаний молекул упругой среды в указанном частотном диапазоне человек воспринимает как звук. На рисунке 4 схематично показан способ создания зон повышенного и пониженного давления в трубе при быстром движении поршня.

Звуковая волна способна вызывать вынужденные колебания барабанной перепонки человеческого уха, которые в конечном итоге регистрируются мозгом.

Рис. 4

Длиной волны l можно считать расстояние между двумя зонами максимального разрежения или сжатия, однако определение длины волны, данное ранее, для любых волн остается в силе. Справедливо и соотношение между скоростью звука, длиной волны и частотой: = åñ. Скорость звука меняется от среды к среде и при нормальных условиях составляет около 340 м/c в воздухе, около 1500 м/с в воде и около 5500 м/с в стали. Диапазон длин звуковых волн в воздухе составляет от 1,7 см до 17 м.

Рис. 5

Высота тона звука – субъективное слуховое ощущение, зависящее, главным образом, от частоты звука и позволяющее расположить все звуки по шкале от низких до высоких. Чем выше частота колебаний в звуковой волне (чем меньше длина волны), тем выше звук. Звук определенной частоты (рис. 5, а) излучается только с помощью динамика, присоединенного к электрическому генератору. В реальном случае форма колебаний сигнала источника звука, а значит, и форма графика колебаний частиц среды, существенно отличается от синусоиды (рис. 5, б). Даже при излучении звука динамиком форма вынужденных колебаний мембраны динамика, происходящих под действием электромагнита, отличается от синусоиды (при приближении к частоте собственных колебаний мембраны возникают искажения). Поэтому музыкальные установки содержат несколько динамиков, которые испускают низкие звуки тяжелыми мембранами (рис. 6).

Рис. 6

Громкость звука в основном связана с амплитудой колебаний частиц среды, связанной с энергией, которую переносит механическая волна. Однако в реальности субъективное восприятие громкости звуков разных частот и одинаковой амплитуды оказывается различным. Человек способен воспринимать звуковые волны, различающиеся по переносимой ими энергии в миллионы раз, поэтому громкость звука выражают в децибелах (дБ), т.е. в логарифмической шкале.

Продольные волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц, распространяющиеся в воздухе, жидкостях и твердых телах, называют ультразвуком. Человеческое ухо такие частоты не воспринимает. Однако некоторые животные, например летучие мыши и дельфины, способны излучать и улавливать ультразвук. Благодаря этому дельфины уверенно ориентируются в мутной воде, а летучие мыши способны летать в полной темноте, не натыкаясь на преграды. В последнее время ультразвук получил широкое распространение в медицине.