Ультразвуки и инфразвуки

          Метод ультразвуковой очистки заключается в образовании в моющей жидкости чередующихся высоких и низких волн давления, которые при определенной частоте, известной как резонансная частота, создают кавитацию, то есть образуют миллионы микроскопических пузырьков. Эти пузырьки разбиваются о поверхность изделия и удаляют загрязнения даже в местах, недоступных при применении других методов. До сих пор подробности того, как пузыри производят очистку, до конца не поняты.

          Обычно ультразвуковая ванна представляет собой ёмкость из нержавеющей стали (встречаются и другие материалы), ко дну или стенкам которой прикреплены ультразвуковые преобразователи (излучатели), обычно пьезоэлектрические. На преобразователи подаётся переменное напряжение соответствующей частоты с электронного ультразвукового генератора. Преобразователи могут также встраиваться в отверстия в корпусе ванны или помещаться в ванну в виде отдельных модулей. Последний способ позволяет изготавливать ультразвуковые ванны очень больших размеров.

          Ультразвуковые ванны применяются во многих областях:

- в медицине и лабораториях: для очистки посуды, инструментов  и т. д., ускорения химических реакций, исследования различных процессов в жидкостях;

- в промышленности и ремонте:  для очистки деталей машин  и механизмов;

- в ювелирных и реставрационных  мастерских: для очистки мелких  предметов сложной формы.

Ультразвуковой  дальнометр

        Ультразвуковой дальномер - устройство для измерения расстояния, бесконтактным способом. Прибор основан на эффекте отражения звуковых волн. Эти волны можно представить как продольные колебания давления в среде их распространения. Предметы, размеры которых превышают длину падающей звуковой волны, отражают её; отражённая волна называется эхом. Если скорость звука в среде известна и можно измерить время распространения волны от источника до объекта и обратно, то расстояние между излучателем и предметом может быть точно вычислено.

        Сферы  применения. 1) С помощью ультразвука геофизики находят залежи ценных ископаемых и определяют глубину их местонахождения.

2) Эхолокация в военной отрасли. Окруженная вражескими суднами подводная лодка имеет только один безопасный способ связаться с базой – передать сигнал в водной среде. Для этого используется особенный условный ультразвуковой сигнал определенной частоты – перехватить такое послание практически невозможно, т.к. для этого необходимо знать его частоту, точное время передачи и «маршрут». Однако отправка сигнала с лодки  также является сложнейшей процедурой – необходимо учитывать все глубины, температуру воды и т.д. База, получая сигнал, и, зная время его прохождения, может высчитать расстояния до лодки, в результате – ее местонахождение. Также в подводном флоте используют специальные короткие ультразвуковые импульсы, посылаемые гидролокатором прямо с подводной лодки; импульс отражается от предметов – скал, других судов, и с его помощью рассчитывают направление и расстояние до препятствия.

Ультразвуковые  увлажнители воздуха.

       Увлажнитель воздуха – это прибор, предназначенный для поддержания определенного уровня влажности в замкнутом помещении. Самыми эффективными и экономными на сегодняшний день считаются ультразвуковые увлажнители воздуха. Это наиболее совершенный и популярный тип увлажнителей воздуха. Они имеют небольшие габариты, малую потребляемую мощность и высокую производительность.

       В ультразвуковых увлажнителях воздуха используется свойство пьезоэлектриков преобразовывать электрические колебания в механические. На погруженный в воду пьезоэлектрический кристалл подается высокочастотное (ультразвуковой частоты) напряжение, преобразуемое в механическую вибрацию. В водяном слое образуются чередующиеся между собой волны повышенного и пониженного давления. В областях пониженного давления происходит вскипание жидкости при обычной комнатной температуре (кавитация) с выбросом в воздух мелкодисперсных частиц. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, подает водяную взвесь в помещение, где она переходит в парообразное состояние. Некоторые модели ультразвуковых увлажнителей воздуха помимо гигростатов снабжены дисплеями и пультами дистанционного управления. В ультразвуковых увлажнителях воздуха, также как и в «холодных» увлажнителях воздуха, используется деминерализованная или дистиллированная вода. Производительность ультразвуковых увлажнителей 7 - 12 литров/сутки при потребляемой мощности 40 - 50 Вт.

     Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков.

Пьезоэффект наблюдается  в кварце, где он происходит  вдоль электрических осей X1, X2, X3 кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный.

В металолитейной отрасли

       Ультразвук  применяется для диагностики  состояния кристаллической решетки  металла. При «прослушивании»  труб, балок у качественных изделий  получается определенный сигнал, если же у изделия что-то  отличается от нормы (плотность,  дефект конструкции), сигнал будет  другим, что и укажет инженеру  на брак.

Стиральная  машинка

   Сегодня огромное распространение получили всевозможные аппараты с

использованием ультразвуковых импульсов. И распространение не только в

промышленности, но и хозяйстве  современных россиян. Один из самых  известных аппаратов – ультразвуковая стиральная машинка: небольшая «таблетка», подсоединяющаяся к сети и стирающая без моющих средств. Такое

приспособление получает самые положительные отзывы: стирка бесшумная и экономичная – аппарат требует крайне мало вспомогательных моющих средств и потребляет энергии меньше 50-ваттовой лампочки, белье не только очищается, но и дезинфицируется.

       Пьезокерамические  излучатели возбуждают ультразвуковые  колебания,

образующие в растворе огромное количество микроскопических пузырьков

(кавитация) с высолим  давлением внутри, которые, взрываясь,  нарушают

сцепление загрязненных микрочастиц  с волокнами изделий и облегчают  их

удаление поверхностно-активными  веществами моющего раствора стирального порошка или мыла. Таким образом, очищение волокон ткани происходит изнутри, что позволяет достигать высокой эффективности стирки.

Ультразвуковой  пилинг

      Это технология применения ультразвука в косметических целях для очистки пор, освежения, омоложения увядшей кожи.

 

 

      

        

 

Применение ультразвука  в природе

Эхолокация

      Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию,

испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 - 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мБар, т.е. соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мБар, т.е. в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мБар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 - 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами.

       Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха

(моноурально), что существенно  облегчается крупными непрерывно  движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отраженными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полета эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отраженного ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их "слуховых" центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

      У ночных  бабочек из семейства медведиц  развился генератор

ультразвуковых помех, "сбивающий  со следа" летучих мышей, преследующих этих насекомых.

      Не менее  умелые навигаторы - жирные козодои,  или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки - от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Самый большой подарок природы - это способность гуахаро к эхолокации. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щелкающие звуки, свободно улавливаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чуткой птицей.

Медузы  и инфразвуки

      На краю "колокола" у медузы расположены примитивные глаза и органы

равновесия - слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть "уши" медузы. Однако "слышат" они не просто звуковые колебания, доступные и нашему уху, а инфразвуки с частотой 8 – 13 герц.

      Перед штормом  усиливающийся ветер срывает  гребни волн и захлестывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания, их-то и улавливает своим куполом медуза. Колокол медузы усиливает инфразвуковые колебания (как рупор) и передает на "слуховые колбочки". Шторм разыгрывается еще за сотни километров от берега, он придет в эти места примерно часов через 20, а медузы уже слышат его и уходят на глубину.

      Нужно отдать  должное бионикам, которые создали  электронный автоматический аппарат - предсказатель бурь, работа которого основана на принципе "инфрауха" медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.

 

     

 

 

 

                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические  параметры инфразвука и влияние его на человека

      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.

      Исследования биологического действия инфразвука на организм показали,

что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у  людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к

числу которых следует  отнести изменения в центральной  нервной, сердечно-

сосудистой и дыхательной  системах, вестибулярном аппарате. Имеются

данные о том, что инфразвук  вызывает снижение слуха преимущественно  на

низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит  от уровня

интенсивности инфразвука и  длительности действия фактора.

      По характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и

гармонический. Гармонический  характер спектра устанавливают  в октавных

полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними  не менее чем на 10 дБ. По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный. Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц.

Допустимыми уровнями звукового  давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.

       Инфразвук отнюдь не является недавно открытым явлением. В действительности органистам он известен уже более 250 лет. Орган, клавишно-духовой музыкальный инструмент, самый большой и сложный из существующих инструментов. Огромный современный орган состоит как бы из трех и более органов, причем исполнитель может управлять одновременно всеми. Каждый из органов, входящих в состав такого «большого органа», имеет свои регистры (наборы труб) и свою клавиатуру (мануал). Во многих соборах и церквях есть столь длинные органные трубы, что они издают звук частотой менее 20 Гц, не воспринимаемый человеческим ухом. Но, как выяснили британские исследователи, такой инфразвук может вселить в аудиторию разнообразные и не слишком приятные чувства — тоску, ощущение холода, беспокойство, дрожь в позвоночнике.

      Сотрудник Национальной лаборатории физики в Англии доктор Ричард Лорд и профессор психологии Ричард Вайсман из Хертфордширского университета провели довольно странный эксперимент над аудиторией из 750 человек. С помощью семиметровой трубы им удалось примешать к звучанию обычных акустических инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта, слушателей попросили описать их впечатления. "Подопытные" сообщили, что почувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже побежали мурашки, у кого-то возникло тяжелое чувство страха. Самовнушением это можно было бы объяснить лишь отчасти. Из четырех сыгранных на концерте произведений, инфразвук присутствовал только в двух, при этом слушателям не сообщали, в каких именно. "Некоторые ученые полагают, что инфразвуковые частоты могут присутствовать в местах, которые, по легендам, посещают призраки, и именно инфразвук вызывает странные впечатления, обычно ассоциирующиеся с привидениями, - наше исследование подтверждает эти идеи", - заявил Вайсман.