Ультразвук


Ультразвук, или «неслышимый звук», представляет собой колебательный процесс, осуществляющийся в определенной среде, причем частота колебаний его выше верхней границы частот, воспринимаемых при их передаче по воздуху ухом человека. Физическая сущность ультразвука, таким образом, не отличается от физической сущности звука. Выделение его в самостоятельное понятие связано исключительно с его субъективным восприятием ухом человека.

С незапамятных времен люди поражались удивительной способности животных ориентироваться в пространстве, находить сородичей, гнезда, передвигаться и охотиться в темноте. Первой экспериментальной попыткой изучения ориентации с помощью слуха были, по-видимому, исследования итальянского ученого Л. Спалланцани, проводившего опыты на летучих мышах. Новая эра в изучении неслышимых звуков животных связана с развитием точных биоакустических методов. Официальное начало ее относится к 1956 г., когда состоялся первый международный биоакустический съезд.

Известно, что свет в воде быстро поглощается. Он проникает в глубину всего на несколько десятков метров. На глубине 400-500 м под водой уже полная темнота, и в этих условиях особое значение приобретает ориентировка обитателей морских глубин с помощью высокочастотных колебаний. Чем выше частота, тем больше проникающая способность и направленность ультразвукового излучения. Именно поэтому высокочастотный диапазон колебаний эффективно используется морскими млекопитающими - дельфинами для весьма совершенной ориентировки с помощью эхолокации, а возможно и для коммуникации. Высокая чувствительность, возможность определения самых незначительных изменений частоты в сочетании с огромным диапазоном продуцируемых звуков (более 12 октав), а также способность изменения на несколько порядков мощности и частоты повторения сигналов - все это является предпосылками совершенного приема и использования дельфинами высокочастотных подводных звуков с целью ориентации.

Биологические источники ультразвука исключительно разнообразны, так же как и способы его генерации. У дельфинов, например, нет голосовых связок, а ультразвуки возникают в специальных полостях, заполненных воздухом, благодаря вибрации стенок и перепонок при сжатии этих полостей. Жировая линза дельфинов выполняет, по-видимому, роль фокусирующего элемента, направляющего ультразвуковой пучок и регулирующего фокусное расстояние.

В технике ультразвук получают с помощью пьезоэлектрических и магнитно-стрикционных преобразователей. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария. Ультразвуковые волны получают также механическим путем. Первый ультразвуковой свисток был изобретен в Англии в 1883 г. Ф. Гальтоном. Принцип работы свистка состоит в том, что при прохождении газа под высоким давлением через полую трубку он ударяется о губу резонатора, вызывая колебания в резонансной полости трубы. Частота колебаний (до 170 кГц) определяется размерами цилиндра и губы. Интенсивность колебаний газового столба регулируется глубиной разонансной полости и величиной зазора между поршнем и стенками трубы. Мощность такого свистка невелика. Механическим источником ультразвука являются также сирены, обычно ротационного типа. Эти сирены имеют очень ограниченное промышленное применение.

Использование пьезоэлектрических преобразователей основано на эффекте, обнаруженном в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри. Эффект состоит в том, что при деформации пластинки кварца возникают противоположные по знаку электрические заряды. «Пьезо» по-гречески означает «давить»; электричество, возникающее при давлении, было названо «пьезоэлектричеством». Прямой пьезоэлектрический эффект - это появление электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при ее деформации. Однако возможен и обратный пьезоэлектрический эффект: кварцевая пластинка меняет свои размеры, если к ней подводят электрический заряд. Если же на пластинку подать переменное электрическое напряжение с частотой, равной собственной частоте колебаний кристалла, то пластинка начинает колебаться благодаря своим резонансным свойствам. Так получают ультразвуковые волны.

Среди природных материалов, используемых для пьезоэлектрических преобразователей, можно назвать в первую очередь кварц, сегнетову соль, дигидрофосфат калия. Однако малая механическая прочность пьезокристаллов стимулировала поиск новых материалов. Коллектив ученых под руководством академика Б. М. Вула нашел заменитель кварца - титанат бария. В результате специальной обработки смеси углекислого бария и двуокиси титаната происходит поляризация кристаллов титаната бария, а их диполи занимают одинаковое положение. Пьезоэлектрический эффект титаната бария в 50 раз больше, чем у кварца. Благодаря своим керамическим свойствам пластины могут быть любой формы, их можно резать, шлифовать, полировать.

Для получения ультразвука широко используются также магнитно-стрикционные преобразователи. «Стрикцио» по латыни - «сжатие». Принцип действия таких преобразователей основан на изменении геометрических размеров ферромагнитного материала при приложении к нему магнитного поля.

Ультразвук, наряду со звуком, является обязательным компонентом естественной звуковой среды. Он может возникать как гармоники высоких частот при работе промышленных механизмов и транспортных средств, он является обязательной частью биологически продуцируемых звуков для эхолокации. Ультразвук широко применяется в разных областях науки, техники, медицины.

Здесь необходимо вспомнить одно из важнейших свойств звуковой волны: чем выше частота звука, тем короче длина волны. Для получения эха необходимо, чтобы объект, от которого отражается звук, был в 2- 2.5 раза больше, чем длина падающей на него волны. Следовательно, чем меньше препятствие, которое необходимо лоцировать, тем короче должна быть длина волны, т. е. необходимо возрастание частоты колебания. К этому следует добавить, что высокочастотный звук можно сконцентрировать узким, почти параллельным пучком. И чем выше частота колебаний, тем больше концентрация звуковой энергии в таком пучке. И наконец, высокочастотный звук активно поглощается средой и поэтому распространяется на более короткие расстояния по сравнению с низкочастотным. Именно в силу всех этих причин использование высокочастотных звуков оказалось наиболее целесообразным для локации близкорасположенных объектов. Чем выше частота, тем мельче и ближе могут быть объекты локации.

В связи с быстрым затуханием в воздушной среде и соответственно большими энергетическими потерями ультразвуковые компоненты естественной звуковой среды вряд ли могут оказывать существенное влияние на слух человека и животных, чувствительных к частотам ниже 16-20 кГц. В то же время необходимо подчеркнуть, что исследования восприятия ультразвуковых волн человеком показали особенно высокие возможности воздействия таких волн по крайней мере в трех случаях. Во-первых, при подведении ультразвука к костям черепа возникает слуховое ощущение. Это особенно важно при повреждении звукопроводящих структур среднего уха. Ведь именно в этом случае возникает резкое ухудшение восприятия звуков, проводимых по воздуху, при сохранении чувствительности к звукам, проводимым по костям и мягким тканям головы. Во-вторых, применение фокусирующих ультразвуковых излучателей, концентрирующих высокие энергии в области схождения ультразвуковых лучей (фокальной области), позволяет воздействовать непосредственно на воспринимающие слуховые структуры, минуя звукопроводящую систему уха. Имеются данные, позволяющие говорить о перспективности использования фокусированного ультразвука в клинике для диагностики и лечения некоторых форм тугоухости. В-третьих, известно, что слепые люди обладают особой возможностью воспринимать отраженные от предметов волны, в том числе и ультразвуковые. И. Г. Хорбенко приводит данные о возможности различения силуэтов предметов в лучах ультразвукового генератора, расположенного позади испытуемого, на глаза которого одета плотная повязка (испытуемый при этом находился в звукозаглушенной и звукопоглощающей камере). Можно надеяться, что ультразвуковое протезирование слуха, а также использование ультразвуковых волн для ориентировки лиц, лишенных зрения, будут иметь большое будущее.

© 2008 - 2017 Звук и Слух  Копирование материалов сайта запрещено. Все права на публикуемые материалы принадлежат их правообладателям.