Применение ультразвука в устройствах для отпугивания животных

Школьная научно-практическая конференция

«Шаг в будущее»

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В УСТРОЙСТВАХ ДЛЯ ОТПУГИВАНИЯ ЖИВОТНЫХ

                                                        Выполнила ученица 9 Б

                                                        класса МОУ СОШ № 45

                                                        Семёнова Екатерина

                                                        Руководитель:

                                                        учитель физики

                                                        Жирнова Светлана Владимировна

Тверь

2013 г.

Введение

В эпоху покорения космоса, великих научных исследований и технических достижений человек порой сталкивается с теми же проблемами, что и 100 и 1000 лет назад: вредители-грызуны, кровососущие насекомые и насекомые-переносчики инфекций, агрессивные собаки.

Современные технологии позволяют решать эти проблемы с той или иной степенью успешности. Одно из новых решений в этой области – использование ультразвука для отпугивания насекомых, грызунов и агрессивных собак. Ультразвуковые отпугиватели позволяют гуманным способом обезопасить человека от неприятных контактов с некоторыми представителями животного мира. Однако открытым остается вопрос об эффективности и безопасности этих приборов.

Цель данной работы – изучить способ отпугивания животных с помощью ультразвука, для её достижения поставлены следующие задачи:

1.  рассмотреть свойства ультразвука;
2. выяснить, как ощущается и используется ультразвук животными и человеком;
3. описать принцип устройства и работы ультразвуковых отпугивателей для  грызунов, насекомых и собак;
4. собрать информацию о возможных последствиях применения ультразвуковых отпугивателей.

        Хочется отметить, что данная информация интересна как с научной, так и с бытовой точки зрения.

Глава I

Ультразвук в природе

1.1 Особенности ультразвука

Звуковая волна - это механическая волна, воспринимаемая человеком как слышимая. Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т. е источники звука, колеблются.

Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как слышимый звук механические колебания в пределах от 16 Гц до 20 000 Гц, то есть если колебания тела, создающего волну, следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду и не чаще, чем 20 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их. Поэтому колебания этого диапазона частот называются звуковыми.

Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми. Длины волн в воздухе составляют 3,4×10-3—3,4×10-5 см, в воде 1,5×10-2—1,5 ×10-4 см.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но у ультразвука есть специфические особенности, которые определяют его широкое применение в науке и технике:

• Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн.  Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков, по размеру близких  к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет в оптически непрозрачных средах формировать звуковые изображения, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)

•Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

• Возможность получения высоких значений интенсивности колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения, поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические физические, химические, биологические и медицинские эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

1.2 Ультразвук в живой природе

Биофизики установили, что природа не скупилась, когда наделяла своих детей сонарами. Сонар - это система посылающая и принимающая узко направленный пучок ультразвука. От летучих мышей к дельфинам, от дельфинов к рыбам, птицам, крысам, мышам, обезьянам, к морским свинкам, жукам переходили исследователи со своими приборами, всюду обнаруживая ультразвуки.

Эхолотами вооружены, оказывается, многие птицы. Зуйки-галстучники, кроншнепы, совы и некоторые певчие птицы, застигнутые в полете туманом и темнотой, разведывают путь с помощью звуковых волн. Криком они «ощупывают» землю и по характеру эха узнают о высоте полета, близости препятствий, о рельефе местности.

Очевидно, с целью эхолокации издают ультразвуки небольшой частоты (20-80 кГц) и другие животные — морские свинки, крысы, сумчатые летяги и даже некоторые южноамериканские обезьяны.

Мыши и землеройки в экспериментальных лабораториях, прежде чем пуститься в путь по темным закоулкам лабиринтов, в которых испытывали их память, посылали вперед быстрокрылых разведчиков — ультразвуки. В полной темноте они отлично находят норы в земле. И тут помогает эхолот: из этих нор эхо не возвращается!

Глава 2

Применение ультразвука человеком

2.1 Исследование ультразвука        

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под  давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания.  Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии -  Константином Шиловским  впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена – Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я. Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности.

В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

2.2 Получение ультразвука

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы.

1. Аппараты, в которых колебания возбуждаются или препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются  ограниченно, в основном используются для получения мощного УЗ в газовой среде.

2. Устройства, в которых колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения.  В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические  и магнитострикционные преобразователи.

2.3 Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

1)     получение информации посредством ультразвука;

2)     воздействие на вещество;

3)     обработка и передача сигналов;

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется для:

- контроля протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.;

- определения прочностных характеристик и состава материалов;

- определения наличия примесей;

- определения скорости  течения жидкости и газа.

Точность определения состава веществ и наличия примесей высока и составляет доли процента.

           Большая группа методов основана на отражении и рассеянии УЗ волн на границах между средами. Эти методы позволяют проводить определять локацию инородных тел и используются в таких сферах как:

-        гидролокация;

-        неразрушающий контроль и дефектоскопия;

-        медицинская диагностика;

-        определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях;

-        определения размеров изделий;

-        визуализация звуковых полей – звуковидение и акустическая голография.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. Это используется в следующих процессах:

-        ультразвуковая сушка;

-        горение в ультразвуковом поле.

В жидкостях основную роль играет кавитация. На кавитации основаны следующие технологические процессы:

-        ультразвуковая очистка;

-        металлизация и пайка;

-        так называемый звукокапиллярный эффект - проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины;

-        диспергирование твёрдых тел в жидкостях,

-        дегазация (деаэрирование) жидкостей,

-        кристаллизация,

-        интенсификация электрохимических процессов,

-        получение аэрозолей;

-        уничтожения микроорганизмов и стерилизация инструментов в медицине.

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. При повышении пороговой интенсивности УЗ, соответствующей возникновению кавитации, происходит разрушение бактерий и вирусов и стерилизация лекарственных веществ.

           УЗ устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике.

         Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и возможности его практического применения не поддаются  исчислению.

Глава 3

Ультразвуковые устройства для отпугивания животных

3.1 Устройство ультразвуковых отпугивателей

        Принципы устройства и работы ультразвуковых отпугивателей для разных животных очень сходны. По сути, они отличаются только частотным диапазоном и фокусировкой луча. Заводские модели имеют электронные переключатели частоты, самодельные устройства же очень просты.

        Рассмотрим схему одного из них.

        Диод VD1 необходим для защиты от неправильного подключения питания к схеме. Питается устройство от гальванических элементов +1,5 В (напряжение питания можно повышать до +9 В). С увеличением напряжения возрастает мощность излучения устройства. Звуковоспроизводящим элементом устройства служит пьезоизлучатель ЗП-1 (ЗП-3, ЗП-22). Резисторы R2...R4 и R5, R6 задают рабочую точку транзистора VT1 и VT2. При подаче напряжения на VT1 заряжается С1, импульс с С1 кратковременно открывает VT2, VT2 заряжает С2, который кратковременно открывает VT1, и цикл работы повторяется снова. Частота генератора зависит от величин емкостей С1 и С2 и сопротивления R6. Можно последовательно с BQ1 включить еще несколько излучателей, тогда выходная мощность увеличится. 

        В наладке устройство почти не нуждается. Нужно лишь подобрать элементы (R2, R4, С1, С2), которые задают частоту генератора. Далее подключают параллельно R1 частотомер и измеряют частоту генерации. Она должна быть около 20 кГц. Если частота меньше, ее выставляют регулировкой R6. 
 

3.2 Ультразвуковые отпугиватели грызунов

Изгнание грызунов с помощью ультразвукового сигнала выглядит более гуманным способом борьбы на фоне ядов и мышеловок. Крысы и мыши получают шок от воздействия УЗ, и вначале выглядят как оцепенение. УЗ сигнал вызывает у них неприятные ощущения и дискомфорт.

В первые дни работы отпугивателя люди могут увидеть крысу, бегающую кругами или застывшую в оцепенении. Через некоторое время грызуны начинают «понимать», что с ними происходит что-то не то и стараются уйти из зоны действия ультразвука. Время ухода грызунов от 3-4 дней до 3-4 недель.

Один из покупателей  поставил в баню 4 мощных прибора, каждый из которых мог обслужить 40 м2. И к утру лежали лапками кверху 16 мышек - им некуда было уйти, так как в бане не было ни одной дырочки. После таких случаев в технических паспортах появилась запись о том, что желательно оставить щель или отверстие, в которое животные могут уйти.

Для предупреждения привыкания грызунов к ультразвуковому излучению в приборах предусмотрено автоматическое изменение диапазона излучаемых ультразвуковых частот. В некоторых случаях ультразвуковой сигнал может быть услышан домашними питомцами, особенно собаками. Этот факт говорит о некачественном оборудовании: неправильно подобранной частоте генератора.

3.2 Ультразвуковые отпугиватели насекомых

3.2.1 Ультразвуковой отпугиватель комаров

Самое популярное средство от комаров – различные кремы-репелленты, но у них есть 2 существенных недостатка: они подходят не всем (особенно людям с проблемной кожей и аллергикам) и защищают от комаров они не очень долго.

Ультразвуковой отпугиватель комаров имеет существенное преимущество перед другими средствами борьбы с комарами: он не содержит и не выделяет химические вещества, способные принести вред людям или домашним животным. Более того, прибор считается  экологически безопасным.

Принцип работы отпугивателя комаров очень прост – прибор генерирует ультразвук, имитирующий звук, издаваемый комарами-самцами. Заслышав его, комары-самки (а кусаются именно они) покидают данное место.

Вместе с тем, не каждый отпугиватель комаров может быть эффективным средством от комаров расположенных в данной местности. Дело в том, что на  территории России обитает более 1500 различных видов комаров, поведение которых во многом зависит от местности обитания, времени суток, погоды и, соответственно, эффективная частота воздействия ультразвука на них в разных местностях - разная.

Выбирая различные положения регуляторов ультразвукового отпугивателя можно подобрать наиболее эффективный режим воздействия на насекомых в каждой конкретной ситуации.

3.2.2 Ультразвуковой отпугиватель тараканов

Чего только не пытались люди использовать в борьбе с тараканами! И все напрасно. Их живучесть и проблема борьбы с тараканами заключается в их исключительной плодовитости и феноменальной приспосабливаемости. Одна самка способна за год дать жизнь более 30 тысячам сородичей.

А ведь тараканы не только создают большой этический дискомфорт в жилище людей. Они портят продукты, переносят опасные болезни и, зачастую, являются причиной поломки различной, в т.ч. дорогой электронной техники.

Ультразвуковой отпугиватель тараканов - эффективное средство для борьбы с тараканами и другим вредными насекомыми (блохи, муравьи и пр.). Эффективность прибора достигается за счет негативного воздействия ультразвука на центральную нервную систему вредителей, создавая у них чувство непреодолимого дискомфорта, и тем самым, заставляя покинуть данную территорию.

Как показывает практика, тараканы, муравьи и пр.паразиты покидают помещения оборудованные ультразвуковым отпугивателем не более чем через две недели его непрерывной работы.

Максимальная площадь воздействия – 80 кв.м. Высокая эффективность  ультразвукового отпугивателя тараканов достигается за счет многократного отражения ультразвука от стен и потолка. Вместе с тем, стоит принимать во внимание геометрию помещения, а также то, что  мягкие предметы, находящиеся в помещении (шторы, одежда, диваны и др.) поглощают ультразвук, тем самым, уменьшая его эффективность воздействия.

3.3. Ультразвуковые отпугиватели собак

Нападение собак на людей - далеко не редкость. Стаи бездомных собак встречают нас по дороге в школу и домой, на прогулке в скверах и парках.

Ультразвуковой отпугиватель собак по принципу своей работы ничем не отличается от принципа работы ультразвуковых отпугивателей грызунов и насекомых. Отпугиватель собак также генерирует ультразвуковые волны определенного диапазона, однако в отличие от прочих отпугивателей, ультразвуковой отпугиватель собак представляет собой прибор направленного действия.

Поэтому, если вдруг возникла необходимость в использовании отпугивателя для защиты от собак его надо включить и направить в сторону ушей собаки. Ультразвуковой луч испускаемый отпугивателем собак, создаст у животного чувство дискомфорта и его реакцией  будет – каким либо способом избавиться от него: отвернуться, попятиться, уйти в сторону. Для более эффективного воздействия можно попробовать изменить угол направления, выбирая наиболее чувствительное.

3.4 Особенности применения ультразвуковых отпугивателей

1. Отпугивать или приманивать?

Первое правило успешной борьбы с вредителями – определиться, отпугивать их или приманивать. Если принято решение избавиться от грызунов с помощью ультразвукового отпугивателя, то все другие приманки и ловушки нужно убрать. Нельзя одновременно отпугивать и приманивать. Это два противоположных способа избавиться от мышей и крыс. Совместное их использование вообще не даст никакого положительного результата. И будет ощущение, что ультразвуковой отпугиватель не работает.

2. Ультразвук не проходит через стены

Ультразвук отражается от твёрдых предметов и поглощается мягкими. От ультразвука можно частично защититься даже прикрывшись накидкой, так же, как от света. Поэтому любой ультразвуковой отпугиватель эффективно работает только в пределах одного помещения. Сквозь стены и перекрытия (пол, потолок) ультразвук не проходит. И даже самый мощный ультразвуковой отпугиватель здесь не исключение.

3. Отражение и поглощение ультразвука

Если в помещении нет мягкой мебели, занавесок, ковров и других мягких предметов, то ультразвук за счёт многократного отражения от стен, потолка и пола максимально заполняет собой всё пространство. Таким образом достигается наилучший эффект от воздействия отпугивателя грызунов.

         В помещениях, где есть мягкая мебель и другие предметы, поглощающие ультразвук, отражённого ультразвука будет минимум, либо его не будет совсем. Здесь можно рассчитывать только на прямое воздействие отпугивателя грызунов. В этом случае лучше использовать более мощный ультразвуковой отпугиватель. Запас мощности в определённой степени скомпенсирует отсутствие отражённого ультразвука.

        Выводы по использованию отпугивателей

        В целом можно отметить, что максимальный результат применения ультразвуковых отпугивателей может быть достигнут при соблюдении следующих пунктов:

1. Отпугиватель грызунов должен работать круглосуточно без перерывов в течение двух-трёх недель как минимум.

2. Нельзя переносить отпугиватель грызунов из одного помещения в другое, если нет уверенности, что грызуны ушли.

3. Нельзя использовать яды-приманки совместно с отпугивателями грызунов.

4. Продукты питания хранить в герметичных упаковках, поддерживать порядок и чистоту в помещениях.

5. После ухода грызунов, по возможности заделать все щели и отверстия, через которые они могли проникать.

Глава 4

Безопасность использования ультразвуковых отпугивателей

        Следующим актуальным вопросом после эффективности работы прибора является безопасность его использования для здоровья человека и домашних питомцев.

         4.1 Действие ультразвука на организм человека

Ультразвук, занимающий заметное место в гамме производственных шумов, неблагоприятно воздействует на организм, хотя ухо его и не воспринимает. Пассажиры самолета часто ощущают недомогание и беспокойство, одной из причин, которых является ультразвук.

        При воздействии ультразвука высокой интенсивности на животных отмечаются сильные боли, облысение, ожоги, помутнение роговицы и хрусталика, гемолиз, серьезные сдвиги биохимического характера (понижение содержания в крови холестерина, мочевой и молочной кислоты), при высоких частотах наступает смерть (мелкие кровоизлияния в различных органах).

  Кроме интенсивности, решающее значение для биологического воздействия имеют частота звука и длительность облучения. При этом следует заметить, что если дозу облучения, например рентгеновскими лучами, можно установить, так как она прямо пропорциональна времени облучения и интенсивности, то при ультразвуковом облучении такое соотношение не выполняется. Поэтому определение биологической дозы облучения ультразвуком затруднительно.

        При воздействии ультразвука на организм человека отмечается, прежде всего, термическое действие вследствие превращения энергии ультразвука в тепло. Ультразвук вызывает микромассаж тканей (сжатие и растяжение), что способствует кровообращению и, следовательно, улучшению функции ткани. Ультразвук стимулирует обменные процессы и оказывает также нервнорефлекторное действие.

         Под влиянием ультразвука изменения отмечаются не только в органах, подвергшихся воздействию, но и в других частях организма. При длительном и интенсивном воздействии ультразвук может вызвать разрушение клеток тканей.

        При так называемом озвучении крови ультразвуком происходит разрушение эритроцитов и лейкоцитов, повышается вязкость и свертывание крови, ускоряется РОЭ. Ультразвук угнетает дыхание клетки, уменьшает потребление кислорода, инактивирует некоторые энзимы и гормоны.

         Как показывают экспериментальные данные и клинические наблюдения, ультразвук может обусловить серьезные изменения со стороны органа слуха. Ультразвук вызывает разрушение клеток кортиева органа и нервных клеток, кровоизлияния, разрушение и патологическое развитие костной ткани.         Предполагают, что выявленные у большого процента населения США изменения слуха связаны со значительным распространением звуковых установок.

        У лиц, длительно подвергавшихся воздействию ультразвуковых колебаний, отмечается сонливость, головокружения, быстрая утомляемость. При обследовании обнаруживаются явления вегетативной дистонии.

4.2 Безопасность использования ультразвуковых отпугивателей

        Производители утверждают, что их приборы абсолютно безопасны для человека благодаря низкой интенсивности и громкости – амплитуде УЗ колебаний. Безопасной для здоровья человека считается громкость в 80-90 Дб.

        Бытовые отпугиватели издают ультразвук громкостью от 90 до 130 Дб на расстоянии 1 метра, то есть приборы нужно устанавливать таким образом, чтобы они не находились в непосредственной близости от людей.
Специальных исследований на предмет воздействия ультразвуковых отпугивателей на человека не проводилось, но при создании приборов использовались уже известные науке данные. На каждый прибор существует отказное письмо от СЭС, означающее, что сертификат не требуется, а большинство импортных приборов имеют сертификаты европейских стран и США. 

Заключение

При рассмотрении свойств ультразвука, мы выяснили, что по своей природе и физическим свойствам ультразвуковые волны не отличаются от волн слышимого диапазона, а широкое применение ультразвука в технике связано с рядом его специфических особенностей. Эти же особенности, по видимому, обусловили и «естественное» применение ультразвуковых волн животными.

В отличие от человека, многие виды животных чувствительны к волнам этого диапазона, что позволяет применять ультразвук для дрессировки или отпугивания.

Принципы устройства и работы ультразвуковых отпугивателей для разных животных очень сходны. По сути, они отличаются только частотным диапазоном и фокусировкой луча. Заводские модели имеют электронные переключатели частоты, что позволяет усилить эффективность их работы.

Несмотря на утверждение разработчиков и производителей об абсолютной безопасности «отпугивателей» для человека, сведений о долгосрочных исследованиях в этой области нет.

Можно утверждать, что ультразвуковой отпугиватель – лишь один из многих аспектов применения ультразвука в нашей жизни. Он считается безопасным для здоровья, его использование удобно и оправдано. Эффективность прибора зависит, прежде всего, от мощности генератора. Однако влияние на здоровье человека, особенно при длительном использовании  не изучено.