что такое акустические колебания

Акустические колебания

Под шумом понимают звуки различной природы со случайными изменениями по частоте и амплитуде, мешающие работе, отдыху и т.д.

Основными характеристиками шума являются: частота, спектр шума, звуковое давление Р, Па, а также логарифмический уровень звукового давления:

, (2)

где — порог слышимости. Р – действующее звуковое давление.

При прохождении препятствий акустическими колебаниями наблюдаются следующие явления: отражение, дифракция, поглощение звука и звукопередача. В закрытых помещениях наблюдается явление реверберации (послезвучание). Воздействие шума на человека определяется прежде всего воздействием на слуховой анализатор. Воздействие любого уровня шума вызывает адаптацию слухового анализатора. При громкости адаптации пороги слуха за 2-5 минут повышаются на 15-25 дБА. Восстановление их до исходного уровня занимает от 2 до 3 часов. При длительном воздействии шумы интенсивностью больше 85 дБА приводят к постоянному повышению порогов слуха сначала на высоких частотах, а затем и к развитию профессиональных заболеваний тугоухости и глухоты, то есть полной потере слуха. Шум уровнем порядка 65дБА способствует снижению производительности труда.

Государственными стандартами ГОСТ 12.1.003-85 устанавливаются предельно допустимые уровни логарифмического уровня звукового давления для октавных полос со средними геометрическими частотами 63;125;250;500;1000;2000;4000;8000Гц.

В зависимости от характера труда для ориентировочной оценки условий труда применяют эквивалентный уровень звукового давления. При этом шум на рабочем месте считается постоянным в течение всей смены, равным уровню шума на частоте 1000Гц.

Источник

Акустические колебания

Акустическими колебанияминазывают колебания упругой среды. Понятие акустических колебаний охватывает как слыши­мые, так и неслышимые колебания воздушной среды.

Акустические колебания в диапазоне частот 16. 20 кГц, вос­принимаемые ухом человека с нормальным слухом, называют звуковыми. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц на­зывают инфразвуковыми, выше 20 кГц — ультразвуковыми. Об­ласть распространения акустических колебаний называют аку­стическим полем. Часто акустические колебания называют зву­ком, а область их распространения — звуковым полем.

Шумом принято называть апериодические звуки различной ин­тенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум — это всякий неблагоприятно воспринимаемый человеком звук.

Источниками шумана производстве является транспорт, тех­нологическое оборудование, системы вентиляции, пневмо- и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию, т. к. колебания твердых тел вызывают колебания воздушной среды. Шум является одним из наиболее существенных негативных факторов производственной среды. Источники шума формируют звуковые волны, возникающие в результате нарушения стацио­нарного состояния воздушной среды.

Параметры, характеризующие акустические колебания (шум). Колебательная скорость v (м/с) — скорость колебания частиц воздуха относительно положения равновесия.

Скорость распространения звука (скорость звука) с (м/с) — скорость распространения звуковой волны. При нормальных ат­мосферных условиях (температура 20 «С, давление 10 3 Па) ско­рость распространения звука в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое давление р (Па) — разность между мгновенным зна­чением полного давления и средним давлением, которое наблю­дается в невозмушенной среде

где р — плотность среды (кг/м 3 ), рс — называют удельным акусти­ческим сопротивлением (Па • с/м), равное 410 Па • с/м для воздуха, 1,5 • 10 6 Па • с/м — для воды, 4,8 • 10 7 Па • с/м — для стали.

При распространении звука со скоростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсив­ностью звука.

Интенсивность звука I (Вт/м 2 ) — это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади по­верхности, через которую она распространяется

Как и для вибрации и по тем же самым причинам, звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их ло­гарифмическими значениями — уровнями звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления

где р — звуковое давление, Па; р₀ — пороговое звуковое давле­ние, равное 2 • 10° Па.

Уровень интенсивности звука

В качестве пороговых значений приняты минимальные зна­чения звукового давления и интенсивности звука, которые слы­шит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости.

Важной характеристикой, определяющей распространение шума и его воздействие на человека, является его частота. Так же как и для вибрации, диапазон звуковых частот разбит на октавные полосы (fjfi = 2), характеризуемые их среднегеометриче­скими частотами/. Граничные и среднегеометрические частоты октавных полос приведены ниже.

Таблица 2.5. Частоты и диапазоны октавных полос

Классификация производственного шума (рис. 2.15). Шум классифицируется по частоте, спектральным и временным ха­рактеристикам, природе его возникновения.

Рис. 2.15. Классификация производственного шума

По частоте акустические колебания различаются на инфра­звук (/ 20 000 Гц). Акустические колебания звукового диапазона подразделяются на низкочастотные (менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц).

По спектральным характеристикам шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный), в спектре которого имеются выражен­ные дискретные тона (частоты, уровень звука на которых значи­тельно выше уровня звука на других частотах). Спектры широ­кополосного и тонального шума представлены на рис. 2.16. При­мером широкополосного шума может являться шум реактивного самолета, тонального — шум дисковой пилы, с спектре шума ко­торой имеется ярко выраженная частота с доминирующим уров­нем звука.

По временным характеристикам шум подразделяется на по­стоянный и непостоянный. Постоянным считается шум, уровень

которого в течение 8-часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ; непостоянным — если это изменение превышает 5 дБ. Непостоянные шумы в свою очередь разделяются на колеб­лющиеся, уровень звука которых изменяется непрерывно во вре­мени (например, шум транспортных потоков); прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в которых уровень звука оста­ется постоянным не менее 1 с (например, шум прерывисто сбра­сываемого из баллонов сжатого воздуха); импульсные, представ­ляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с (например, шум агрегатов и машин, работающих в импульсном режиме). Временные характеристики колеблющегося, импульс­ного и импульсного шумов показаны на рис. 2.16, б.

По природе возникновения шум можно разделить на механиче­ский, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный.

Механические шумы возникают по следующим причинам: на­личие в механизмах инерционных возмущающих сил, возникаю­щих из-за движения деталей механизма с переменными ускоре­ниями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбеж­ных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов; ударные процессы (ковка, штамповка, клепка, рихтовка) и ряд других. Основными источниками возникновения шума механического происхождения являются подшипники качения и зубчатые пере­дачи, а также неуравновешенные вращающиеся части машин.

Аэродинамические шумы возникают в результате движения газа, обтекания газовыми (воздушными) потоками различных тел. Аэродинамический шум возникает при работе вентилято­ров, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, выпусков пара и газа в атмосферу, двигателей внутреннего сгорания. При­чинами аэродинамического шума являются вихревые процессы, возникающие в потоке рабочей среды при обтекании тел и вы­пуске свободной струи газа; пульсации рабочей среды, вызывае­мые вращением лопастных колес вентиляторов, турбин; колеба­ния, связанные с неоднородностью и пульсациями потока. Аэ­родинамический шум — один из самых значительных по уровню звука.

Гидравлические шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитация, турбулент­ность, гидравлические удары). Например, в насосах источником гидравлического шума является кавитация жидкости у поверхно­стей лопаток насоса при высоких окружных скоростях вращения рабочего колеса.

Электромагнитные шумы возникают в электрических маши­нах и оборудовании, использующим электромагнитную энергию. Основной причиной возникновения электромагнитного шума является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а так­же электрические (пондеромоторные) силы, вызываемые взаи­модействием электромагнитных полей, создаваемых переменны­ми электрическими токами.

Воздействие акустических колебаний (шума) на человека. Шум звукового диапазона на производстве приводит к снижению вни­мания и увеличению ошибок при выполнении работы. В резуль­тате снижается производительность труда и ухудшается качество выполняемой работы. Шум замедляет реакцию человека на по­ступающие от технических объектов и внутрицехового транспор­та сигналы, что способствует возникновению несчастных случа­ев на производстве.

На рис. 2.17 представлена характеристика слухового воспри­ятия человека с нормальным слухом. Предельные значения уровней звукового давления изображены двумя кривыми. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости.

Как видно, при определенных частотах человек слышит отрицательные уровни звука. Это объясняется тем, что логарифмическая шкала уровней звукового давления построена таким образом, что за пороговое значение уровня звукового давления р₀ принят порог слышимо­сти на частоте 1000 Гц (L_p = 0 дБ). Однако порог слышимости человека на частотах 2000. 4000 Гц меньше. Верхняя кривая со­ответствует порогу болевого ощущения (L_p= 120. 130 дБ). Звуки, превышающие по своему уровню порог болевого ощущения, мо­гут вызвать боли и повреждения в слуховом аппарате (перфора­ция или даже разрыв барабанной перепонки). Область на частот­ной шкале, лежащая между двумя кривыми, называется обла­стью слухового восприятия.

Шум влияет на весь организм человека. Он угнетает цен­тральную нервную систему, вызывает изменения скорости дыха­ния и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возник­новению сердечно-сосудистых заболеваний, язвы желудка, ги­пертонической болезни, может привести к профессиональному заболеванию.

Помимо снижения слуха рабочие, подвергающиеся постоян­ному воздействию шума жалуются на головные боли, головокру­жение, боли в области сердца, желудка, желчного пузыря, повы­шенное артериальное давление. Шум снижает иммунитет чело­века и устойчивость человека к внешним воздействиям.

Инфразвук с уровнем отдо 150 дБ вызывает неприятные субъективные ощущения и различные функциональные измене­ния в организме человека: нарушения в центральной нервной системе, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибу­лярном аппарате. Возникают головные боли, осязаемое движе­ние барабанных перепонок, звон в ушах и голове, снижается внимание и работоспособность, появляется чувство страха, угне­тенное состояние, нарушается равновесие, появляется сонли­вость, затруднение речи. Инфразвук вызывает в организме чело­века психофизиологические реакции — тревожное состояние, эмоциональная неустойчивость, неуверенность в себе.

Ультразвук может действовать на человека как через воздуш­ную среду, так и контактно на руки — через жидкую и твердую среды. Воздействие через воздушную среду вызывает функцио­нальные нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокрин­ной систем, а также изменения свойств и состава крови, артери­ального давления. Контактное воздействие на руки приводит к нарушению капиллярного кровообращения в кистях рук, сниже­нию болевой чувствительности, изменению костной структу­ры — снижению плотности костной ткани.

Гигиеническое нормирование акустических колебаний. Норми­рование шума звукового диапазона осуществляется двумя метода­ми: по предельному спектру уровня звука и по дБА.

Первый метод является основным для постоянных шумов. По этому методу устанавливаются ПДУ звукового давления в де­вяти октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. В соответствии с ГОСТ 12.1.003—83 шум на рабочих местах не должен превы­шать установленные значения (табл. 2.6).

На рис. 2.18 показаны некоторые предельные спектры уров­ня звукового давления. Каждый спектр имеет свой индекс ПС. Например ПС-80 означает, что допустимый уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрическим значением частоты 1000 Гц равен 80 дБ.

Второй метод применяется для нормирования непостоянных шумов и в тех случаях, когда не известен спектр реального шума на рабочем месте. Нормируемым параметром в этом случае яв­ляется эквивалентный (по энергии) уровень звука широкополос­ного постоянного шума, оказывающий на человека такое же воздействие, как и реальный непостоянный шум, измеряемый по шкале А шумомера. Измерители шума (шумомеры) имеют специальную шкалу А. При измерении по шкале А характери­стика чувствительности шумомера имитирует кривую чувстви­тельности уха человека. Уровень звука, определенный по шкале А, имеет специальное обозначение L_A и единицу измерения — дБА и применяется для ориентировочной оценки уровня шума. Уровень звука в дБА связан с предельным спектром следующей зависимостью:

Допустимые уровни звукового давления зависят от частоты звука от вида работы, выполняемой на рабочем месте. Более вы­сокие частоты неприятнее для человека, поэтому чем выше час­тота, тем меньше допустимый уровень звукового давления. Чем более высокие требования к вниманию и умственному напряже­нию при выполнении работы, тем меньше допустимые уровни звукового давления.

Для тонального и импульсного шума допустимые уровни должны приниматься на 5 дБ меньше значений, указанных в ГОСТ 12.1.003-83 (табл. 2.6).

Таблица 2.6. Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятия по ГОСТ 12.1.003—83 (извлечение)

Инфразвук. ПДУ звукового давления на рабочих установлено СН 2.2:4/1.8.583—96 дифференцированно для различных видов работ. Общий уровень звукового давления для работ различной степени тяжести не должен превышать 100 дБ, для работ различ­ной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности — не более 95 дБ.

Ультразвук. Нормы для ультразвука определены ГОСТ 12.1.001—89. Для ультразвука, распространяющегося воздушным путем, допустимые уровни звукового давления (УЗД) установле­ны для диапазона частот 12,5. 100 кГц. ПДУ звукового давления изменяются от 80 дБ для частоты 12,5 кГц до ПО дБ для диапа­зона частот 31,5. 100 кГц.

Для контактного ультразвука уровни ультразвука в зонах контакта рук и других частей тела не должны превышать ПО дБ.

Когда рабочие подвергаются совместному воздействию воз­душного и контактного ультразвука, допустимые уровни кон­тактного ультразвука должны уменьшаться на 5 дБ.

2. Перечислите основные источники вибрации и шума на производстве.

3. Какими параметрами характеризуется вибрация? Что такое уровень вибрации?

4. Как классифицируется вибрация?

5. Как воздействует вибрация на человека и как различается ее воздей­ствие от частоты колебаний?

6. Что такое виброболезнь, ее формы, клинические симптомы и стадии протекания?

7. Как осуществляется гигиеническое нормирование вибрации?

8. Какими параметрами характеризуется шум?

9. Как классифицируются производственные шумы?

10.Как воздействует шум на человека?

11.Как осуществляется гигиеническое нормирование шума? Что такое предельный спектр и дБА?

12.Перечислите основные источники инфра- и ультразвука на производ­стве. Как они воздействуют на человека?

13.Укажите основные источники шума на производстве, связанном с ва­шей специальностью.

Дата добавления: 2016-06-02 ; просмотров: 7689 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Акустические колебания

Слышимый звук, с частотой в диапазоне 16 Гц – 20 кГц – это акустические колебания, воспринимаемые органами слуха. Источником слышимого звука могут быть различные тела, колеблющиеся с такой частотой. В мире человека и животных слышимый звук является одним из основных средств общения.

до 16 Гц
— инфразвуковые колебания

По другим свойствам они напоминают рентгеновское излучение, т.к. способны проникать в любые материальные среды в т.ч. — прозрачные и непрозрачные; в проводники и диэлектрики. Это позволяет применять ультразвук для исследования таких материалов, а также оказывать на них определённые воздействия.

Генерировать акустические колебания УЗ частоты возможно как чисто механическими колебательными системами (свистки, сирены и пр.), так и преобразователями электрических СВЧ колебаний в механические. В настоящее время применяется только второй метод. Для генерации УЗ колебаний большой мощности излучатель строится на базе сердечника, выполненного из магнитострикционного материала, помещённого в переменное электромагнитное поле соленоида.

Излучатели небольшой мощности строятся на базе пьезоэлектрических материалов, способных менять свои геометрические размеры под действием приложенного к ним переменного напряжения.

Акустические колебания УЗ частоты нашли себе настолько широкое применение во всех сферах человеческой деятельности, что перечислить их все в короткой статье просто невозможно. В качестве иллюстраций можно привести несколько примеров использования ультразвука.

В медицине, кроме УЗИ, в лечебных целях применяется УЗ воздействие с интенсивностью до 0.4 Вт/см2. В промышленности УЗ колебания используются в технологических процессах при обработке стекла, керамики, хрупких и сверхтвёрдых металлов и сплавов. В навигации, гидрографии и рыболовстве широко применяются ультразвуковые гидролокаторы для определения морских глубин, сканирования дна водоёмов, обнаружения косяков рыбы.

На одном из первых мест стоят ультразвуковые дефектоскопы в средствах неразрушающего контроля. Их ценят за высокую чувствительность, большую проникающую способность УЗ излучения, точность определения положения дефекта и его оценку, а также за безопасность персонала при пользовании этими приборами.

Источник

Физика звука

Акустика — это раздел физики, изучающий возбуждение, распространение, прием звуковых волн, а также их взаимодействие со средой. Особенностью звуковых волн, отличающих их от электромагнитных или гравитационных, является то, что они могут распространяться только в сплошной упругой среде. Звук окружает нас повсюду: в атмосфере, под водой, под землей, в биологических средах и материалах и даже в космосе. Только звук может распространяться в земных структурах и под водой без существенного затухания, поэтому он широко используется в исследованиях природных сред.

Обычно мы называем звуком то, что мы слышим. Принято считать, что диапазон частот слышимого нами звука лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Это соответствует 20–20 000 колебаний в секунду. Звуковые волны, частота колебаний которых выходит за этот диапазон, получили свои специальные названия.

Ультразвуком называют звуковые волны, частота колебаний которых выше 20 кГц. Технологически развитый диапазон применения ультразвука лежит в пределах от 20 кГц до 100 МГц. Более высокочастотная область ультразвука получила название гиперзвук. Звуковые волны гиперзвуковых частот могут распространяться только в кристаллах с малым поглощением звука, таких, как монокристаллы кварца, сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и др. Гиперзвук используется при обработке больших массивов информации, в том числе оптических изображений, и исследовании строения твердых тел. Этим занимается наука акустоэлектроника. Диапазон, в котором гиперзвук возбуждается искусственным, контролируемым образом, ограничивается частотами порядка 10 ГГЦ, что связано с высоким затуханием. При столь высоких частотах длина волны такого звука будет уже соизмеримой с межатомным расстоянием в кристалле. В таком случае мы уже не можем считать кристалл сплошной средой.

Звуковые волны, частота которых ниже 20 Гц, называют инфразвуком. Затухание инфразвука невелико, и поэтому инфразвуковые волны активно используются для исследования океана и структуры земли. Звуки взрывов вулканов могут обогнуть весь земной шар, низкочастотный подводный звук распространяется через океаны на тысячи километров.

Далее мы обсудим современные идеи и новые акустические технологии исследования и освоения окружающего мира. Часто акустические методы не имеют альтернативы и поэтому оказываются наиболее эффективными для решения той или иной важной задачи.

Звук и инфразвук в исследовании природы

Объяснение этому интересному эффекту дал Л. М. Бреховских — впоследствии академик и лауреат Государственной премии СССР. Он обратил внимание на то, что температура воды быстро падает до глубины 100–200 м, а затем принимает постоянное значение около 4°C. Падение температуры приводит к уменьшению скорости распространения звука, а рост давления с глубиной приводит к увеличению этой скорости. Таким образом, в зависимости скорости распространения звука от глубины оказывается минимум, в котором и концентрируется акустическая энергия. На рисунке 1 видно, что если поместить излучатель на уровень минимума скорости звука, то звуковые лучи, выходящие из излучателя, в результате рефракции будут удерживаться вблизи этого минимума. В итоге часть звуковых лучей, вышедших из источника под не очень крутыми углами, остаются при распространении в слое толщиной в несколько сот метров. Такой слой представляет собой подводный акустический волновод, или подводный звуковой канал.

Рис. 1. Схематическое изображение распространения сигнала в подводном звуковом канале. Слева — профиль скорости звука в зависимости от глубины. Источник и приемник звука расположены на оси канала, соответствующей минимальной скорости звука. Лучи в результате рефракции звука совершают циклические осцилляции. Цифры над лучами указывают угол выхода луча из источника. В нижней части рисунка показаны две серии осциллограмм зарегистрированных сигналов, отличающихся температурными условиями в приповерхностной части канала

Стоит отметить, что эффект акустического волновода использовался средневековыми мастерами при создании «шепчущих» галерей. Такие галереи имеют кривые или замкнутые стены. Если вы вблизи такой стены говорите шепотом, то звуковые лучи концентрируются около нее и на расстоянии в несколько десятков метров можно отчетливо слышать ваш шепот, находясь также около стены. Такие шепчущие галереи есть в соборах Святого Павла в Лондоне и Святого Петра в Риме, в Храме Неба под Пекином и, возможно, где-то еще.

Характер распространения звука в акустическом волноводе аналогичен распространению лазерного излучения в оптическом волноводе. В настоящее время особенности распространения звука в подводном акустическом волноводе используются для термометрии океана.

Океан можно рассматривать как гигантский, занимающий огромную площадь термометр. Следя за изменениями температуры глубинных слоев океана, можно следить за потеплением климата. Дело в том, что масштабные климатические изменения надежно определить чрезвычайно трудно из-за больших флуктуаций во времени и пространстве. Огромные массы воды в океане усредняют эти флуктуации. Определить среднюю температуру глубинных слоев океана на масштабах в несколько тысяч километров можно только акустическими методами, электромагнитные волны в морской воде не распространяются на заметное расстояние.

Скорость распространения звука увеличивается с ростом температуры. На рисунке 1 внизу показаны две серии зарегистрированных акустических импульсов, отличающихся тем, что во второй серии верхние слои океана имели несколько более высокую температуру, чем в первой. Как видно, сигналы, распространяющиеся по красному лучу, который максимально близко подходит к нагретой поверхности океана, приходят несколько раньше, чем сигналы, распространяющиеся по другим лучам. Для дистанции 250 км эти изменения во времени распространения могут составлять доли секунды. По другим лучам изменений во времени распространения нет. Таким образом, из такого опыта можно узнать, на сколько градусов и на какую глубину прогрелась вода в океане. Ясно, что чем больше дистанция распространения звука, тем выше чувствительность этого метода. Звук пробегает 250 км в океане за 167 с, что соответствует скорости распространения около 1500 м/с. Заметим, что первыми приходят наиболее быстрые сигналы, распространяющиеся по наиболее крутым лучам, лежащим в слоях океана с большей скоростью распространения. А наиболее интенсивные сигналы приходят последними по пологим лучам, находящимся в окрестности оси подводного звукового канала, где скорость распространения минимальна.

Такая особенность распространения звука используется для дистанционного мониторинга теплопереноса в океане, что важно для прогнозирования климата. Океан формирует погоду на земле. Северный Ледовитый океан является кухней погоды для Европы и существенной части Азии. Распределенная по всему океану система излучателей и приемников звука может решать самые разнообразные задачи. Среди них можно выделить измерение времени распространения сигналов на протяженных трассах для определения содержания тепла и циркуляции океанических вод как на масштабах всего океана, так и в отдельных его частях; обеспечение подводного позиционирования и навигации подо льдом; мониторинг динамики льда, землетрясений и перемещения морских животных при пассивном прослушивании акватории океана. Все эти процедуры система может выполнять в реальном времени.

Исследование атмосферы. Распространение звука в атмосфере подчиняется тем же самым законам, что и распространение звука в океане, с той разницей, что скорость распространения звука в воздухе в нормальных условиях у поверхности земли составляет 340 м/с. Это существенно меньше скорости звука в воде.

На рисунке 2 представлена схема звуковых лучей, выходящих из источника звука в атмосфере. Как видно, в присутствии ветра лучи по-разному ведут себя в зависимости от направления распространения. Поток воздуха увеличивает скорость распространения звука по ветру и несколько снижает ее в противоположном направлении. Как правило, приземный поток воздуха или ветер увеличивает свою скорость с высотой. Скорость распространения звука по ветру на большой высоте больше, чем у земли, поэтому фронт звуковой волны при подъеме вверх заворачивается и волна направляется вниз, где скорость меньше. Возникает рефракция звука. Благодаря этому в приповерхностном слое атмосферы образуется звуковой волновод, в котором концентрируется звук, и на поверхности земли можно регистрировать акустические сигналы, которые распространялись на высоте в несколько десятков километров. Эффект рефракции при распространении против ветра приводит к тому, что звук быстро уходит на большую высоту (десятки километров). Поэтому мы плохо слышим против ветра и хорошо по ветру.

Рис. 2. Схема звуковых лучей, выходящих из источника звука в атмосфере в присутствии ветра

Приземный звуковой волновод может образоваться не только в результате ветра. В тихий безветренный морозный день где-то за городом можно далеко слышать лай собак или шум машины. В такую погоду в приземной атмосфере возможна так называемая температурная инверсия. Обычно температура воздуха понижается с высотой, но в морозный день температура у поверхности земли, особенно в низине, может быть ниже, чем на некоторой высоте. Минимальная температура в приземном слое воздуха соответствует минимуму скорости распространения звука. Таким образом, температурная инверсия обеспечивает волноводное распространение звука у поверхности земли.

На рисунке 3 показано распределение температуры с высотой в атмосфере. Как видно, эта характеристика, как и в океане, имеет слоистую структуру. В областях нижней границы стратосферы (тропопауза) и нижней границы термосферы (мезопауза) температура, а следовательно, и скорость распространения звука достигают минимума. Здесь выполняются условия для существования атмосферных звуковых каналов. Звуковые волны от извержений вулканов или наземных взрывов распространяются по этим каналам на огромные расстояния и даже могут обогнуть Земной шар. Поэтому средняя атмосфера (от 20 до 120 км высоты) является хорошим проводником инфразвука. Это свойство атмосферы позволило ученым разработать методику инфразвукового зондирования атмосферы, базирующейся на явлении рассеяния акустических импульсов на слоистых неоднородностях скорости ветра и температуры атмосферы вплоть до высот нижней термосферы порядка 140 км. С помощью такой методики можно определить флуктуации скорости ветра в диапазоне высот от верхней стратосферы до нижней термосферы (90–140 км).

Рис. 3. Стратификация температуры в атмосфере. Изменение давления показано в гектапаскалях (1 гПа = 100 Па). В областях тропопаузы и мезопаузы температура, а следовательно, и скорость распространения звука достигают минимума. Здесь находятся атмосферные звуковые каналы

Сейсмические волны в земле. Аналогичным образом распространяются сейсмические волны в земле. Они могут быть как естественного происхождения, так и искусственные. В качестве естественных источников сейсмических волн мы можем назвать землетрясения, извержения вулканов, горные обвалы. Искусственным образом сейсмические волны возбуждаются наиболее эффективно взрывом или специальными многотонными вибраторами. Если в океане и атмосфере распространяются только продольные звуковые волны (в жидкостях и газах отсутствует сдвиговая упругость), то сейсмические волны могут быть как продольные, так и поперечные. Поперечные волны, в зависимости от плоскости колебаний, могут иметь разную поляризацию. Скорость распространения поперечных волн, как правило, в 2–3 раза меньше скорости распространения продольных. Наличие сейсмических волн двух типов расширяет возможности сейсмического зондирования в сравнении с зондированием океана или атмосферы.

Центральной задачей сейсмического зондирования является исследование структуры земли и поиск полезных ископаемых. Обе эти задачи требуют выполнения противоречивых подходов. С одной стороны, интересно заглянуть как можно глубже под поверхность земли. Этого можно достичь, понижая частоту сейсмического излучения. С понижением частоты снижаются потери, связанные с затуханием, и звуковые волны распространяются дальше. С другой стороны, уменьшение частоты ведет к росту длины излучаемой волны, а это снижает разрешающую способность дистанционного метода зондирования. Всё возрастающие требования к качеству разведки полезных ископаемых заставляют искать способы повышения разрешающей способности, а следовательно, и точности сейсморазведки.

Разрешить возникшее противоречие удалось за счет развития методов приема сейсмических сигналов. Известно, что чем больше приемная антенна, тем выше ее пространственное разрешение. Если принимать сигналы большим количеством приемников, объединенных в единую сеть, то можно повысить пространственную точность дистанционного зондирования. Но для этого требуется сложная обработка сигналов от многих сотен или даже тысяч приемников. Современная сейсморазведка обеспечивает достаточную точность зондирования, чтобы определить продуктивные залежи полезных ископаемых, например нефти или газа, на глубинах более 10 км. Современные технологии обеспечивают прохождение скважины горизонтально вдоль пласта, чтобы повысить эффективность добычи нефти. Толщина пласта составляет порядка 10 м на глубине несколько километров. При этом длина скважины может быть более 10 км. Точность прокладки скважины соизмерима с точностью выведения ракеты на траекторию к межпланетному полету.

Рис. 4. Вертикальный сейсмический разрез строения верхних слоев земли

Для зондирования структур земли используют естественные низкочастотные сейсмические сигналы от землетрясений или даже приливных волн, вызванных движением Луны. На рисунке 4 показан пример результатов такого зондирования на глубину более 50 км. Он свидетельствует о том, что в структуре земли есть не только горизонтальные слои, но и крупные вертикальные разломы, которые могут доходить до мантии.

Знание особенностей распространения низкочастотного звука в океане, атмосфере и земле позволило разработать и создать эффективную международную систему контроля за выполнением договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний. Существует специальная схема расположения станций на земле и в океане, осуществляющих постоянный мониторинг и регистрирующих сейсмические, гидроакустические и инфразвуковые сигналы в атмосфере. Эти станции объединены в общую сеть и поэтому могут определить место и время события, приведшего к появлению того или иного сигнала.

Примером такой эффективности является обнаружение взрыва метеороида в небе над Челябинском 15 февраля 2013 года. Метеороид вошел в атмосферу под углом 20° со скоростью 18 км/с. По мере полета в атмосфере скорость метеороида уменьшалась и происходил его нагрев. Перед ним возникла ударная волна, в которой воздух был сильно сжат и разогрет. Метеороид разрушился, когда разность давлений на фронте ударной волны и на противоположной его стороне превысила предел прочности метеороида. Это разрушение (взрыв) сопровождалось вспышкой яркости излучения в течение пяти секунд. Максимум яркости наблюдался на высоте 23,3 км южнее Челябинска. Примерный эффективный диаметр метеороида равен 18 м, а его масса 11 000 тонн. Семнадцать станций зарегистрировали ударную волну этого взрыва. Последующий анализ позволил оценить эквивалент мощности взрыва в 2–3 кт тринитротолуола.

Современные проблемы применения медицинского ультразвука

Ультразвук мегагерцового диапазона частот достаточно хорошо распространяется в биологических тканях. Как известно, живые организмы почти на 90% состоят из воды. Поэтому скорость распространения звука в таких условиях близка к 1500 м/с, что соответствует скорости распространения звука в воде. Длина волны ультразвука на частоте 1 МГЦ равна при этом 1,5 мм, что обеспечивает достаточно высокое пространственное разрешение ультразвуковых методов.

Хорошо известно применение ультразвука в медицине для диагностики и исследования внутренних органов и суставов (УЗИ). Менее известны успехи в области ультразвуковой хирургии, хотя и здесь есть существенные результаты. Прежде всего это дробление и удаление камней из почек с помощью фокусированного воздействия ударными волнами — так называемая литотрипсия. Начиная с 1980-х годов литотрипсия является наиболее распространенной процедурой для удаления камней из почек. Другим быстро развивающимся направлением исследований является терапевтическое направление применения ультразвука, основное преимущество которого — лечебное воздействие внутри тела без повреждения окружающей ткани. Широкие возможности различных видов ультразвуковой терапии были продемонстрированы экспериментально, а некоторые из них уже нашли применение в клинической практике. Одним из примеров является интенсивный фокусированный ультразвук.

Рисунок 5 иллюстрирует основную идею применения фокусированного ультразвука. Акустическая интенсивность вблизи излучающего преобразователя достаточно низка, так что ткани не повреждаются. В фокальной области интенсивность заметно возрастает, и нагрев за счет поглощения волны достаточен для теплового разрушения белков ткани. Это позволяет неинвазивно «прижечь» место внутреннего кровотечения или вызвать некроз опухолевых тканей в глубоко расположенных областях человеческого тела. Наиболее перспективными, с точки зрения расширения применения ультразвуковых методов в медицине, являются гемостазис (остановка кровотечения), хирургия и стимуляция иммунного отклика. Можно также упомянуть ультразвуковой контроль и интенсификацию транспорта лекарств. Экспериментально было показано, что ультразвук может улучшать транспорт лекарств и генов через биологические барьеры: клетки, ткани и тромбы.

Рис. 5. Схема ультразвукового воздействия на биологические ткани. Пучок интенсивного фокусированного ультразвука используется для локализованного разрушения опухоли или остановки внутреннего кровотечения без повреждения окружающей ткани. Акустическая энергия, излучаемая ультразвуковым преобразователем, концентрируется в объем, примерно равный объему рисового зерна

Укажем на некоторые основные проблемы, которые нуждаются в решении для успешного применения интенсивного ультразвука в практике.

Одной из важных задач является получение больших значений амплитуды акустической волны в фокусе с учетом структуры человеческого тела. Усиление ультразвуковой волны при фокусировке необходимо для обеспечения высокой интенсивности в небольшой фокальной области, чтобы не повредить остальные участки ткани на пути распространения ультразвука. Ультразвуковой ожог кожи является одним из характерных побочных эффектов при применении интенсивного ультразвука, поскольку в коже коэффициент поглощения ультразвука в несколько раз выше, чем в ткани. Поэтому на этом участке акустическая интенсивность должна быть как можно более низкой. Такую процедуру возможно реализовать, применяя многоэлементные ультразвуковые антенны, излучение которых будет согласовано со структурой тела, по которой должно пройти излучение.

Важными также являются технические разработки по созданию хорошего акустического согласования ультразвукового излучателя с телом. Дело в том, что ультразвуковые излучатели делаются, как правило, из пьезоэлектрической керамики. И для того чтобы обеспечить наилучшую передачу звуковой энергии в человеческое тело, нужно согласовать условия прохождения звука от твердой пьезокерамики к мягким биологическим тканям. Для этого применяют специальные контактные смазки или жидкости. Например, по сравнению с вогнутыми источниками плоские УЗ преобразователи гораздо труднее сделать фокусирующими, но зато для них легче обеспечить согласование при непосредственном контакте с кожей. Поглощение в костях еще сильнее, вот почему важно минимизировать попадание на них ультразвука. Соответствующая технология предполагает использование многоэлементных фазированных антенн для осуществления электронной фокусировки. На рисунке 6 показано схематическое изображение такой антенны для фокусировки ультразвукового излучения в мозг через кости черепа.

Рис. 6. Схема ультразвукового транскраниального воздействия на мозг

Мозг является тем органом, где применение терапии с использованием фокусированного ультразвука имеет свои особенности. Принципиальной трудностью здесь является тот факт, что ультразвуковые волны плохо проходят сквозь черепную коробку из-за поглощения в кости и отражения на ее границах. Кроме того, кости черепа неоднородны по толщине и характеризуются более высокой (по сравнению с расположенными за ними мягкими тканями) скоростью звука, что приводит к трудно предсказуемым эффектам рефракции. Решение проблемы ультразвукового воздействия и визуализации через толстые кости черепа возможно при использовании разработанных в последнее время методов волновой физики, связанных с компенсацией потерь и аберраций при распространении волн в неоднородной среде. В основе лежит голографический принцип, согласно которому распределение характеристик волнового поля на некоторой поверхности в этом поле содержит информацию о всей трехмерной структуре поля, а также принцип обратимости недиссипативных волновых процессов во времени и связанный с этим метод обращения волнового фронта.

Метод обращения волнового фронта, применяемый в радиолокации и при исследовании структуры подводных акустических каналов в океане, предполагает использование пробной волны, которая, проходя по неоднородной среде, регистрируется многоэлементной антенной. Зарегистрированный сигнал имеет сложную пространственную и временную структуру, что отражает многолучевое распространение через неоднородную среду. Если на антенне обратить во времени фазовые задержки зарегистрированного сигнала и излучить сигнал с такой сложной пространственно-временной фазовой модуляцией, то излученный сигнал, проходя в обратном порядке через те же самые неоднородности среды, соберется, т.е. сфокусируется в точку излучения пробного сигнала. Для реализации такого подхода необходимо использовать многоэлементные приемоизлучающие антенны, управляемые мощными вычислительными процессорами, обеспечивающими в реальном времени сложную многоканальную обработку сигналов.

Источник