Ультразвук. Звуковые волны в закрытом объеме. Резонаторы. Эффект Доплера

Тема: Ультразвук. Звуковые волны в закрытом объеме. Резонаторы. Эффект Доплера.


План:
Введение
Понятие о звуке
Ультразвук
1. Понятие ультразвука
2. Влияние ультразвука на организм человека
3. Профилактика и лечение заболеваний, вызванных
ультразвуком
Литература

Введение.
Нас, людей, окружает внешняя среда. Отдельные ее факторы, оказывают определенное влияние на организм человека. К этим факторам относятся воздух, вода, почва, лучистая энергия солнца, животный и растительный мир.
В производственных условиях факторы внешней среды превращаются в факторы производственной среды: воздух содержит неприродные газ и пыль, вода и почва загрязнены химикатами и т.п. Кроме того, появляются новые, чисто производственные факторы, такие как вибрация, шум и ультразвук.
Инфразвук и ультразвук отличаются от простых звуков тем, что не слышимы человеческим ухом. Инфразвук – сверхнизкие частоты, ультразвук – сверхвысокие частоты.
Меня очень заинтересовал, тот факт, что физика и техника наших дней обладают средством не только изучать, но и создавать «беззвучные звуки» такой частоты, что число колебаний может достигать в этих «сверхзвуках» до 700 тысяч в секунду. И мы можем успешно применять сверхзвуковые колебания во благо Человечества.
Считаю, что ультразвуки и инфразвуки играют важнейшую роль и в живом мире и являются неотъемлемой частью нашей жизни. Мы их изучаем и применяем на практике.
I. Понятие о звуке.
Упругие волны, распространяются в воздухе, внутри жидкостей и твердых тел, невидимы глазу. Однако при определенных условиях их можно услышать. Упругие волны, способные вызывать у человека слуховые ощущения, называют звуковыми волнами или просто звуком.
Звук – это колебания упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды, влекущие за собой возникновение в ней последовательно чередующихся участков сжатия и разряжения. Так как у частиц существуют упругие связи, то давление передается на соседние частицы. Эти частицы, в свою очередь, воздействуют на следующие. Таким образом, область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления. Если же производить непрерывные смещения частиц упругой среды с какой-то частотой, то образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения, смещаясь, то в одну, то в другую сторону от первоначального положения.
Вспомним простой опыт. Зажав простую линейку в тисках, и, оставив выступать большую часть линейки, вызвать ее колебания. В этом случае мы не услышим порождаемые ею волны. Как только укоротим выступающую часть линейки, так сразу увеличим частоту колебаний и линейка «зазвучит» (рис.1).
Рис.2 Рис.1
Один из искусственных источников звука – камертон, с которым мы знакомы еще со школьного курса физики (рис.2) был изобретен в 1711 году английским музыкантом Дж. Шором и применялся для настройки музыкальных инструментов. Камертон представлял собой изогнутый металлический стержень с держателем посередине. После удара по нему резиновым молоточком, возникал звук, так как ветви камертона вибрировали, создавая вокруг себя попеременное сжатие и разрежение воздуха. Распространяясь по воздуху, полученные возмущения образовывали звуковую волну. Стандартная частота колебаний камертона 440 Гц. Без подставки звук почти не слышим. Поэтому для усиления звука камертон устанавливали на резонатор. Из-за резонанса амплитуда вынужденных колебаний возрастает и поэтому звук усиливается.
Таким образом, любое тело, что колеблется со звуковой частотой, является источником звука и от него в окружающей среде распространяются звуковые волны. Сжатие и разрежение среды, возникающее, вследствие колебаний источников звука через некоторое время достигают перепонок человеческого уха, заставляя барабанную перепонку уха совершать вынужденные колебания, т.е. вызывая слуховые ощущения. Человеческое ухо способно воспринимать слуховые ощущения от 16 Гц до 20 кГц.
Человеческое ухо – очень чувствительный прибор, но с возрастом человека, вследствие потери эластичности барабанной перепонки, верхняя граница воспринимаемых частот постепенно снижается. Молодые люди слышат звуки с частотой 20кГц, а люди, более старшего возраста от12 до 14 кГц. Слух может ухудшаться не только в связи с возрастом, но и от длительного внешнего воздействия громких звуков. Это шум в цехах, громкая музыка, постоянное ношение наушников и т.п., что, в конечном счете, может привести и к необратимым последствиям - к потере слуха.
Рис 3.
Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает к звуковым волнам с частотой 1 – 5 кГц. Если измерить энергию, переносимую звуковой волной за одну секунду через поверхность площадью в 1_{ }, то получим величину, которую называем интенсивностью звука. При этом оказывается, что интенсивность самых громких звуков вызывает ощущение боли, так как превышает интенсивность самых слабых звуков в 10 триллионов раз (рис.3). Поэтому человеческое ухо – это самое совершенное устройство, чем любой измерительный прибор, потому что ни одним прибором такой широкий диапазон значений измерить нельзя. (См. Приложение 1)
Животные (в сравнении с человеком) в качестве звука воспринимают волны иных частот:

1. 
   Человек 16-20 000Гц
   
2. 
   Сверчок 2-4 000Гц
   
3. 
   Кузнечик 10-100 000Гц
   
4. 
   Лягушка 50-30 000Гц (см. Приложение 2)
   

Единицу громкости называют соном. (от латинского «сонус» - звук). Помимо громкости, звук характеризуется высотой. Высота звука – определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук. Колебаниям небольшой частоты соответствуют низкие звуки, колебаниям большей частоты – высокие звуки. Шмель машет крылышками с меньшей частотой, что составляет 220 взмахов в секунду, а у комара 500-600. Поэтому полет шмеля сопровождается низким звуком (жужжанием), а полет комара – высоким (писком). _{ } (См. Приложение 3)
В жидкостях и газах, звуковые (акустические) волны имеют продольный характер, то есть в них совпадают направления колебания частиц и перемещения волны. В твердых же телах и плотных биотканях, помимо продольных деформаций, возникают также и упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн, в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.
Профиль акустической волны, как правило, имеет знакопеременный характер, причем давление считается положительным, если участок среды в данный момент времени испытывает сжатие, и отрицательный при разряжении.
Если колебания выражены математически, в виде функции, то ее значение через равные промежутки времени повторяются, и они называются периодическими (рис.4). Наименьший интервал времени повторения колебательного процесса соответствует периоду (Т).
Рис 4.
Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой: