Ультразвук как упругие волны.

Ультразвук как упругие волны.

 

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром , где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

 

Механическая обработка сверхтвердых

И хрупких материалов.

 

Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 4).

Ультразвуковая обработка материалов. 1 – ультразвуковой инструмент; 2 – абразивные зерна; 3 – обрабатываемая деталь.

 

 

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

 

 

Ультразвук в медицине.

 

Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при прохождении через них УЗ-вых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ – локальное нагревание их. Одновременно под действием УЗ происходят физико-химические превращения в биологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не вызывают необратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют жизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в УЗ-вой терапии (интенсивность УЗ до 1 Вт/см²). При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в УЗ-вой хирургии. Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см²). В хирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы и т.п. Наложение УЗ-вых колебаний на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований.

Воздействие мощного УЗ на биологические ткани применяется для разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских инструментов и лекарственных веществ.

УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает ощущение теплоты.

Инфразвук.

 

Что такое инфразвук?

 

Развитие техники и транспортных средств, совершенствование технологических процессов и оборудования сопровождаются увеличением мощности и габаритов машин, что обусловливает тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах и появление инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.

Инфразвуком называют акустические колебания с частотой ниже 20 Гц. Этот частотный диапазон лежит ниже порога слышимости и человеческое ухо не способно воспринимать колебания указанных частот. Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов что и шум слышимых частот.

Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и

механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные

механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения). Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.

 

Инфразвуковые аномалии.

 

Береговая линия Северной Америки в районе мыса Гаттерас, полуостров

Флорида и остров Куба образуют гигантский рефлектор. Шторм, происходящий в

Атлантическом океане, генерирует инфразвуковые волны, которые, отразившись

от этого рефлектора, фокусируются в районе «Бермудского треугольника».

Колоссальные размеры фокусирующей структуры позволяют предположить наличие

областей, где инфразвуковые колебания могут достигать значительной

величины, что и является причиной происходящих здесь аномальных явлений. Как

известно, сильные инфразвуковые колебания вызывают у человека панический

страх вместе с желанием вырваться из замкнутого пространства. Очевидно,

такое поведение является следствием выработанной ещё в далеком прошлом

«инстинктивной» реакции на инфразвук как предвестник землетрясения. Именно

эта реакция заставляет экипаж и пассажиров в панике покидать свой корабль.

Они могут сесть в шлюпки и уплыть от своего судна или выбежать на палубу и

броситься за борт. При очень большой интенсивности инфразвука, они могут и

вовсе погибнуть - попадая в резонанс с биоритмами человека, инфразвук особо

высокой интенсивности может вызвать мгновенную смерть.

Инфразвук может быть причиной резонансного колебания корабельных

мачт, приводящих к их поломке (к аналогичным последствиям может привести

воздействие инфразвука на элементы конструкции самолёта). Низкочастотные

звуковые колебания могут быть причиной появления над океаном быстро

возникающего и также быстро исчезающего густого («как молоко») тумана -

атмосферная влага, сконденсировавшиеся за время фазы разряжения, может не

успевать растворяться в воздухе за время последующей фазы сжатия, но в тоже

время способна «мгновенно» исчезнуть, в течение несколько периодов

отсутствия инфразвуковых колебаний. И, наконец, инфразвук частотой 5 — 7

герц может попасть в резонанс с маятником механических, ручных часов,

имеющих тот же период колебаний.

Очевидно, подобные фокусирующие структуры имеются и в других областях

земного шара. По всей видимости, панический страх, вызываемый интенсивными

инфразвуковыми колебаниями в одной из таких структур, послужил в качестве

«отправной точки» мифа о сиренах...

Инфразвук может распространяться под водой, а фокусирующая

структура — образовываться рельефом дна. Источником инфразвуковых колебаний

могут быть подводные вулканы и землетрясения. Естественно, форма

«ландшафтных» отражателей весьма далека от совершенства. Поэтому следует

говорить о системе отражающих элементов, конкретной для каждого случая. При

размерах, соизмеримых с длиной волны, структура может быть резонирующей.

Необходимо исследовать связь между параметрами источников инфразвуковых

волн и распределением интенсивности инфразвуковых колебаний в каждом

«подозрительном» районе. Закономерности возникновения опасных зон определят

характер необходимых предупредительных мер.

Влияние инфразвука на человека, очевидно, не

ограничивается прямым воздействием на его организм, в частности на нервную

систему. Как уже сказано, в процессе эволюции у человека, видимо,

сформировался центр, чувствительный к инфразвуковым колебаниям, —

предвестникам землетрясений и вулканических извержений. Комплекс реакций,

которые должны проявляться при воздействии на этот центр, можно определить,

зная его назначение — обеспечивать выживание при подобных стихийных

бедствиях. Какие же это реакции? Очевидно следующие. Избегать замкнутых

пространств, для того чтобы не попасть в завал. Стремиться удалиться от

рядом находящихся объектов, грозящих обвалиться. Бежать «куда глаза глядят»,

для того чтобы выйти из района стихийного бедствия. Естественно,

что всё это должно сопровождаться («подогреваться») чувством

панического ужаса. В пользу наличия такого механизма говорит

достаточно чёткая целенаправленность поведения. В тоже время, при

непосредственном воздействии на организм возникают неконкретные

реакции, такие как вялость, слабость и различные расстройства, так же,

как, например, при облучении рентгеновскими лучами, высокочастотными

радиоволнами.

Человек утратил высокую чувствительность к инфразвуковым

колебаниям, но при большой интенсивности древняя защитная реакция

пробуждается, блокируя возможности сознательного поведения. Следует

подчеркнуть, что страх не будет вызван внешними образами, а будет как

бы «исходить изнутри». У человека будет ощущение, чувство «нечто

ужасного». Видимо этим объясняются последние слова погибших лётчиков

и моряков: «Небо какое-то не такое», «море выглядит как-то иначе»,

«происходит нечто ужасное». Думается, если бы страх вызывался

внешними образами, то люди этих профессий, люди мужественные,

привыкшие к опасностям, смогли бы передать конкретные сообщения.

В зависимости от интенсивности инфразвуковых колебаний,

находящиеся на борту люди будут испытывать различные степени

паники. Сознание человека будет подыскивать причину подобных

явлений, — пытаться их интерпретировать. И, если это сознание

воспитано на легендах и мифах, то и интерпретация будет

соответствующей, например, — миф о зовущих сиренах (например,

знаменитая «Одиссея» Гомера).

Вывод

Выполнив данную работу - собрав, обработав и обобщив большое

количество материала по данной проблеме, я узнал много нового о природе

звука. Об опасности, которую он может представлять для организма человека,

и о том, насколько широко его можно использовать в хозяйстве. Очень перспективными я считаю исследования способов

коммуникации животных и, конечно использование инфразвука в целях

прогнозирования места и времени будущих извержений и землетрясений. Будучи

сторонником мира, я обеспокоен информацией об удобстве, простоте и успехах

в разработке оружия массового воздействия с использованием ультра и

инфразвука. Мне было очень приятно и интересно работать над этой

темой, так как я считаю её перспективной и крайне мало освещенной для

широкого круга людей.

Ультра и инфразвук

- сила природы, которую человек поставил себе на службу!

Список литературы

 

http://stroy.nm.ru

 

 

 

Ультразвук как упругие волны.

 

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром , где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».