ЗВУК, УЛЬТРАЗВУК, ИНФРАЗВУК И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………….........................3

1. Из истории звука………………………………………………………………………………3
2. Что такое звук?………………………………………………………………...........................4

2.1 Общая акустика изучает вопросы возникновения, распространения и поглощение звука…..5

3. Звук и слух……………………………………………………………………………………..6

1. Музыкальная акустика…………………………………………………………………...7
2. Звуковые удары…………………………………………………………………………...8

3.3 Шумы………………………………………………………………………………………8

1. Шумовое загрязнение…………………………………………………………………….9
2. Действие шума на организм человека……………………………..…………………...11

4. Распространение звука………………………………………………………........................12
5. Ультразвуки и инфразвуки………………………………………………………………….14

3. Звуколокация……………………………………………………………………………………..14
4. Применение ультразвуков и звуков……………………………………………………15

3. Применение инфразвука………………………………………………………..15
4. Применение ультразвука………………………………………………………18

6. Звукотерапия – лечение звуком……………………………………………………………20
7. Цифровые наркотики и их влияние на организм человека……………………………...22

Заключение………………………………………………………………………………………….26

Литература…………………………………………………………………………………………..27

ВВЕДЕНИЕ

     Человек живет в мире звуков. Звук – это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы. Звучат работающие машины, движущийся транспорт и т.д. Что такое звук? Как он возникает? Чем одни звуки отличаются от других? Ответы на эти вопросы хотели узнать люди.

Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.

Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что- то колеблющееся. Если, например, звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана – легкий диск, закрепленный по его окружности. Если звук издает музыкальный инструмент, то источник звука – это колеблющийся столб воздуха и другие.

1. ИЗ ИСТОРИИ ЗВУКА.

Звуки – наши неизменные спутники. Они по - разному воздействуют на человека: радуют и раздражают, успокаивают и пугают своей неожиданностью. В глубокой древности звук казался людям удивительным, таинственным порождением сверхъестественных сил. Они верили, что звуки могут укрощать диких животных, сдвигать скалы и горы, преграждать путь воде, вызывать дождь, творить другие чудеса.

Жрецы Древнего Египта, заметив удивительное воздействие музыки на человека, использовали ее в своих целях. Ни один праздник не обходился без ритуальных песнопений. Позже музыка пришла в христианские храмы.

Древние индийцы раньше других овладели высокой музыкальной культурой. Они разработали и широко использовали нотную грамоту задолго до того, как она появилась в Европе. Их музыкальная гамма также состояла из семи нот, но названия у них были другие: «са», «ре», «га», «ма», «па», «дха», «ни». Считалось, что каждая из них отражает определенное духовное состояние: «са» и «ма»- спокойствие и умиротворение, «га» и «дха»- торжественность, «ре»- гнев, «па»- радость, «ни»- печаль.

Понять и изучить звук люди стремились с незапамятных времен.

Греческий ученый и философ Пифагор, живший две с половиной тысячи лет назад, ставил различные опыты со звуками. Он впервые доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. При укорочении струны вдвое звук ее повысится на целую октаву. Открытие Пифагора положило начало науки об акустики. Первые звуковые приборы были созданы в театрах

Древней Греции и Рима: актеры вставляли в свои маски маленькие рупоры для усиления звука. Известно также применение звуковых приборов в египетских храмах, где были «шепчущие» статуи богов.

Выявление Пифагором и его ученикам гармонические сочетания звуков легли в основу более поздних представлении о так называемой гармонии Вселенной. Согласно с этим представлением небесные тела и планеты расположены относительно друг друга в соответствии с музыкальными интервалами и излучают «музыку сфер». Считалось, например, что Сатурн издает самые низкие звуки, звуки Юпитера можно сравнить с басом, Меркурия-с фальцетом, Марса - с тенором, Земли - с контральто, Венеры - с сопрано. У этой теории была долгая жизнь. Ее признали даже в эпоху Возрождения, когда уже были получены первые вполне научные сведения о природе и движения планет. Отголоски этой теории можно обнаружить в трудах великого Кеплера, открывшего закон движения планет и сыгравшего огромную роль в развитии физики и астрономии.

Существует так называемые вихревые звуки: свист ветра в проводах, такелажа кораблей, ветвях деревьев, завывание в трубах, на гребнях скал, в расщелинах и узких оврагах. Люди издавна пользовались ими - на охоте, в быту. В Древнем Китае существовал обычай выпускать голубей с привязанными к их хвостам маленькие бамбуковые палочки. Воздушный поток, проходивший через трубочку, вызывал нежное посвистывание. Подобные звуки издает и тростниковая дудочка, которая была прообразом зародившейся в Древнем Египте флейты. Позже ее стали называть флейтой Пана - в честь древнегреческого бога лесов.

Легенда гласит, что в Иерусалиме когда-то находилась «стозвучная» двурогая труба. Во время жертвоприношения разжигали костер, теплый воздух от которого устремлялся в трубу, заставляя ее выть. Мощные воющие звуки возникали также, когда в нее врывались вихри от пламени пожаров при осаде города.

В 1831 году в Пятигорске была построена беседка, названная Эоловой арфой. Внутри нее находились две арфы, которые с помощью флюгера разворачивались против ветра и под действием воздушного потока издавали гармонические звуки.

В Лондоне в кафедральном соборе святого Павла есть большой, диаметром почти 50 метров, круглый зал. Человек, находящийся на одной стороне, может говорить шепотом и его превосходно услышат на другой стороне. Ученые после тщательных исследований дали научное объяснение этому явлению. Оказывается, что при радиусе закругления стенки, равном 25 метров, звук распространяется вдоль нее, как бы стелясь, и доходит до слушателя почти без потерь. При этом звук не отражается в сторону.

В некоторых музеях хранятся вазы античной работы, основное назначение которых - не художественное украшение, а отражение, усиление и сосредоточение звука. Сделанные из алебастра, такие вазы устанавливались в больших залах, театрах, собраниях и даже на площадях. Ораторам не надо было напрягать голос: слушатели воспринимали речь на всем, пространстве достаточно далеко.

В 17 веке строители вместо ваз применяли звукопроводы в виде труб из цемента. В частности, подобные звукопроводы можно найти в сооружениях, возведенных по проектам Растрелли. Так собор Смольного монастыря весь в звукопроводах. Предполагается, что они есть и в залах Зимнего дворца.

По всей вероятности, подобные хитроумные акустические устройства были известны и в древности. Легенда наделила Сиракузского тирана Дионисия способностью слышать в своем дворце даже легкий шепот. В это нетрудно поверить, если допустить, что во дворце были керамические звукособиратели и усилители.

2. ЧТО ТАКОЕ ЗВУК?

Что же такое звук? Звук - это распространяющиеся в упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах - механические колебания, воспринимаемые органами слуха.

Рассмотрим примеры, поясняющие физическую сущность звука. Струна музыкального инструмента передает свои колебания окружающим частицам воздуха. Эти колебания будут распространяться все дальше и дальше, а достигнув, уха, вызовут колебания барабанной перепонки. Мы услышим звук. Таким образом, то, что мы называем звуком, представляет собой быструю смену, частицы воздуха не перемещаются, они только колеблются, попеременно смещаясь в одну и другую сторону на очень небольшие расстояния.

Но изолированных колебании одного тела не существует. В каждой среде в результате взаимодействия между частицами колебания передаются все новым и новым частицам, т.е. в среде распространяются звуковые волны.

Другим простым примером колебательного движения могут служить колебания маятника. Если маятник отклонить от его положения равновесия, а затем отпустить то он будет совершать свободные колебания. Под действием силы тяжести маятник возвращается в свое первоначальное положение, по инерции проходит исходную точку и поднимается вверх, при этом сила тяжести будет тормозить его движение. В точке максимального отклонения маятник становится и через мгновение начнет движение в обратном направлении. Циклы колебаний маятника непрерывно повторяются.

Колебания могут быть периодическими, когда изменения повторяются через равный промежуток времени и не периодическими когда нет полного повторения процесса изменения. Среди периодических колебаний очень важную роль играют гармонические колебания. В зависимости от процесса различают колебания механические, электрического тока и напряжения звуковых колебаний.

Наиболее наглядны волны на поверхности воды. Если бросить камень в воду, вначале появится углубление, затем - возвышение воды, а потом возникают волны, представляющие собой последовательно чередующиеся гребни и впадины. Увеличиваясь по фронту, они распространяются по всем направлениям, но отдельные частицы не передвигаются вместе с волнами, а колеблются только в небольших пределах около некоторого неизменного положения. В этом можно убедиться, например, наблюдая за щепкой, подпрыгивающую на волнах. Она будет подниматься и опускаться, т.е. колебаться, пропуская под собой бегущую волну.

Волны бывают продольные и поперечные; в первом случае колебания частиц среды совершаются вдоль направления распространения волны, во втором - поперек него.

Человеческое ухо способно воспринимать колебания с частотой примерно от 200 до 20000 колебаний в секунду. Соответственно этому механические колебания с указанными частотами называются звуковыми, или акустическими.

Вопросы, которыми занимается акустика, очень разнообразны. Некоторые из них связаны со свойствами и особенностями органов слуха.

2.1 Общая акустика изучает вопросы возникновения, распространения и поглощение звука.

Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последние десятилетия охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). При этом она широко пользуется разнообразными методами превращения механические колебания, электрические и обратно. Применительно к звуковым колебаниям, число задач физической акустики входит и изучение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различимые на слух.

Электроакустика, или техническая акустика, занимается получением, передачи, приемом и записью звуков при помощи электрических приборов.

Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки и. т. д. При этом имеется в виду слуховое восприятие звука.

Музыкальная акустика исследует природу музыкальных звуков, а также музыкальные настрой и системы. Мы различаем, например, музыкальные звуки (пение, свист, звон, звучание струн) и шумы (треск, стук, скрип, шипение, гром). Музыкальные звуки более простые, чем шумы. Комбинация музыкальных звуков может вызвать ощущение шума, но никакая комбинация не даст музыкального звука.

Гидроакустика (морская акустика) занимается изучением явлений, происходящих в водной среде, связанных с излучением, приемом и распространением акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания акустических приборов, предназначенных для использования в водной среде.

Атмосферная акустика изучает звуковые процессы в атмосфере, в частности распространение звуковых волн, условие сверхдальнего распространения звука.

Физиологическая акустика исследует возможности органов слуха, их устройство и действие. Она изучает образование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, а также вопросы анализа и синтеза речи.

Создание систем; способных анализировать человеческую речь - важный этап на пути проектирования машин, в особенности роботов - манипуляторов и электронно-вычислительных машин, послушным устным распоряжениям оператора.

Аппарат для синтеза речи может дать большой экономический эффект. Если по международным телефонным каналам, передавать не сами речевые сигналы, а коды, полученные в результате их анализа, а на выходе линий синтезировать речь, потому же каналу можно передавать несколько раз больше информации. Правда, абонент не услышит настоящего голоса собеседника, но слова - то будут те же, что были сказаны в микрофон. Конечно, это не совсем подходит для семейных разговоров, но удобно для деловых бесед, а именно они - то и перегружают каналы связи.

Биологическая акустика рассматривает вопросы звукового и ультразвукового общения животных и изучает механизм локации, которым они пользуются, исследует так же проблемы шумов, вибрации и борьбы сними за оздоровление окружающей среды.

3. ЗВУК и СЛУХ.

Основные физические характеристики любого колебательного движения - период и амплитуды колебания, а применительно к звуку - частота и интенсивность колебаний.

Периодом колебания называется время, в течение которого совершается полное колебание, когда, например, качающийся маятник из крайнего левого положения. Частота колебаний - это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Такую единицу называют герц (Гц). Частота - одна из основных характеристик, по которой мы различаем звуки. Чем больше частота колебаний, тем более высокий тон.

Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет- 2000 Гц, старше 60 лет- 1000 Гц.

В пределах до 500 Гц мы способны различить понижение или повышение частоты даже на 1 Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат становится менее восприимчивым к такому незначительному изменению частоты.

Так, после 2000 Гц мы можем отличить один звук от другого только, когда разница в частоте будет не менее 5 Гц. При меньшей разнице звуки нам будут казаться одинаковыми. Однако правил без исключения почти не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонким слухом. Одаренный музыкант может уловить изменение звука всего на какую-то долю колебаний.

С периодом и частотой связано понятие о длине волны, т.е. в расстоянии между двумя гребнями (или впадинами). Наглядное представление об этом понятии дают волны, распространяющиеся по поверхности воды.

Звуки могут отличаться один от другого и по тембру. Это значит, что одинаковые звуки по высоте тона могут звучать по-разному, потому что основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте. Они предают основному звуку дополнительную окраску и называются обертонами. Иными словами, темброкачественная характеристика звука. Чем больше обертонов налагается на основной тон, тем «богаче» звук в музыкальном отношении. Если основной звук сопровождается близкими к нему по высоте обертонами, то сам звук будет мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, появляется «металличность» в голосе или звуке.

Органы слуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают одно колебание от другого, голос близкого или знакомого человека от голосов других людей. Потому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг, страх перед опасностью - все это можно услышать, даже не видя кому, принадлежит голос.

Амплитудой колебания называется наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических колебаниях. На примере с маятником амплитуда - максимальное отклонение его от положения равновесия в крайнее левое или правое положение. Амплитуда колебания определяет интенсивность (силу) звука. С интенсивностью звука связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако понятия о громкости и интенсивности не равнозначны. Громкость звука - это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком.

Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковые по своей громкости слуховые восприятия. Так, например, звуки, одинаковые по интенсивности, но различающиеся по высоте, воспринимаются ухом с разной громкостью в зависимости от особенностей слухового аппарата. Мы не воспринимаем как очень слабые, так и очень сильные звуки - каждый человек обладает так называемым порогом слышимости, который определяется наименьшей интенсивностью звука, необходимой для того, чтобы звук был услышан.

Звуки, наиболее хорошо воспринимаемые по частоте, лучше различаются и по громкости. При частоте 32 Гц по громкости различаются три звука, при частоте 125 Гц - 94 звука, а при частоте 1000 Гц - 374. Увеличение это не беспредельно. Начиная с частоты 8000 Гц, число различимых звуков по громкости уменьшается. Например, при частоте 16000 Гц человек может различить только 16 звуков.

Звуки очень большой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает их как ощущение давления или боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения. Исследования показали, что интенсивность, при которой звуки разной частоты вызывают болевое ощущение, различна.

Если силу звука увеличить в миллион раз, громкость возрастает только в несколько сотен раз. Выяснилось, что ухо преобразует силу звука в громкость, по сложному логарифмическому закону ограждая свои внутренние части от чрезмерных воздействий. Имеется еще одна особенность человеческого уха. Если к звуку определенной громкости добавить звук той же или близкой к ней частоты, то общая громкость окажется меньше математической суммы тех же громкостей. Одновременно звучащие звуки как бы компенсируют, или маскируют друг друга. А звуки, далеко отстоящие по частоте, не влияют друг на друга, и их громкость оказывается максимальной. Эту закономерность композиторы используют для достижения наибольшей мощности звучания оркестра.

3.1 Музыкальная акустика.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с набором частот, который определяет акустический спектр звуковой волны.

Различают три вида звуковых колебаний: музыкальные звуки, звуковые удары и шумы. Периодические колебания определённой частоты вызывают простой музыкальный тон. Сложные музыкальные звуки - это сочетания отдельных тонов. Тон, соответствующий наименьшей частоте сложного музыкального звука, называют основным тоном, а остальные тоны - обертонами. Если частота обертона кратна частоте основного тона, то обертон называют гармоническим. При этом основной тон с минимальной частотой 70 называют первой гармоникой, обертон, с частотой 270 - второй гармоникой и т.д.

Относительная интенсивность, звуковой волны, а так же характер нарастания и спада их амплитуд во время затухания, определяют окраску (или тембр) звука. Различные музыкальные инструменты (рояль, скрипка флейта и т.п.) отличаются тембром издаваемых этими инструментами звуков. Совокупность звуков разной высоты, которыми пользуются в музыке, составляет музыкальный строй. Относительный музыкальный строй состоит из звуков, находящихся в определённых соотношениях. Если звуки музыкального строя заданы высотой исходного тона, с которого начинается настройка инструментов, то такой строй называют абсолютным. Исходный (стандартный) тон в европейском абсолютном музыкальном строе равен 440 Гц (звук "ля" первой октавы). Относительное различие в высоте двух тонов, обусловленное соотношением между частотами этих тонов, называют интервалом. Соотношение частот 2:1 определяет октаву, 5 : 4 - большую терцию, 4 : 3 - кварту, 3 : 2 - квинту.

Если длина струны гитары равна L, то возникшая волна должна пройти путь 2L, чтобы вернуться в исходное положение, имея исходное направление движения и исходную форму после двух отражений от обоих концов. Если υ - скорость волны, то расстояние 2L волна будет пробегать ν раз в секунду. Частота ν - это высота тона струны. Если прижать пальцем струну к грифу гитары, положив палец на лад, который ускорит свободную часть струны в 2 раза, то и высота тона удвоится. Нота повысится на октаву, что соответствует удвоению частоты.

Отношение высот полутонов равно корню двенадцатой степени из двух. Этим и определяется расположение ладов на грифе гитары. В принятой европейской музыкальной практике октава делится на 12 равных интервалов, которые составляют равномерно темперированный строй.

Кроме темперированного строя различают два точных строя - пифагорейский и чистый, в основе которых лежат интервалы, частотные коэффициенты которых представляют собой отношения первых соседних чисел натурального ряда. Пифагорейский строй основан на октаве и чистой квинте с частотным коэффициентом 3:2, а чистый строй - на октаве, квинте и большой терции с частотным коэффициентом 5:4. Пифагорейский строй более выразительно передаёт мелодию, а чистый лучше соответствует аккордовой музыке. Для исполнения сложной музыки используют компромиссно темперированные строи и равномерно- темперированный 12-ступенчатый музыкальный строй.

Музыка других, неевропейских народов отличается другими интервальными соотношениями и другим числом звуков в октаве.

3.2 Звуковые удары

Ударные волны возникают при выстреле, взрыве, электрическом разряде и т.п. Основной особенностью ударной волны является резкий скачок давления на фронте волны. В момент прохождения ударной волны максимум давления в данной точке возникает практически мгновенно за время порядка 10-10сек. При этом одновременно скачком изменяются плотность и температура среды. Затем давление медленно падает. Мощность ударной волны зависит от силы взрыва. Скорость распространения ударных волн может быть больше скорости звука в данной среде. Если, например, ударная волна увеличивает давление в полтора раза, то при этом температура повышается на 35 0С и скорость распространения фронта такой волны примерно равна 400 м/с. Стены средней толщины, которые встречаются на пути такой ударной волны будут разрушены.

Мощные взрывы будут сопровождаться ударными волнами, которые создают в максимальной фазе фронта волны давление, в 10 раз превышающее атмосферное. При этом плотность среды увеличивается в 4 раза, температура повышается на 500 0C, и скорость распространения такой волны близка к 1 км/с. Толщина фронта ударной волны имеет порядок длины свободного пробега молекул (10-7 - 10-8 м), поэтому при теоретическом рассмотрении можно считать, что фронт ударной волны представляет собой поверхность взрыва, при переходе через которую параметры газа изменяются скачком.

Ударные волны так же возникают, когда твёрдое тело движется со скоростью, превышающей скорость звука. Перед самолётом, который летит со сверхзвуковой скоростью, образуется ударная волна, которая является основным фактором, определяющим сопротивление движению самолёта. Чтобы это сопротивление ослабить, сверхзвуковым самолётам придают стреловидную форму.

Быстрое сжатие воздуха перед движущимся с большой скоростью предметом приводит к повышению температуры, которая с нарастанием скорости предмета - увеличивается. Когда скорость самолёта достигает скорость звука, температура воздуха достигает 60 0C. При скорости движения вдвое выше скорости звука, температура повышается на 240 0C, а при скорости, близкой к тройной скорости звука - становится 800 0С.

Скорости близкие к 10 км/с приводят к плавлению и превращению движущегося тела в газообразное состояние. Падение метеоритов со скоростью в несколько десятков километров в секунду приводит к тому, что уже на высоте 150 - 200 километров, даже в разрежённой атмосфере метеоритные тела заметно нагреваются и светятся. Большинство из них на высотах 100 - 60 километров полностью распадаются.

3. Шумы.

Наложение большого количества колебаний беспорядочно смешанных одно относительно другого и произвольно изменяющих интенсивность во времени, приводят к сложной форме колебаний. Такие сложные колебания, состоящие из большого числа простых звуков различной тональности, называют шумами. Примерами могут служить шелест листьев в лесу, грохот водопада, шум на улице города. К шумам также можно отнести звуки, выражаемые согласными. Шумы могут отличаться распределением по силе звука, по частоте и продолжительности звучания во времени. Длительное время звучат шумы, создаваемые ветром, падающей воды, морским прибоем.

Относительно кратковременны раскаты грома, рокот волн - это низкочастотные шумы. Механические шумы могут вызываться вибрацией твёрдых тел. Возникающие при лопании пузырьков и полостей в жидкости звуки, которые сопровождают процессы кавитации, приводят к кавитационным шумам.

В прикладной акустике изучение шумов проводится в связи с проблемой борьбы с их вредностью, для усовершенствования шумопеленгаторов в гидроакустике, а также для повышения точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации. Продолжительные сильные шумы (порядка 90 дБ и более) оказывают вредное действие на нервную систему человека, шум морского прибоя или леса - успокаивающее.

3.1.1.  Шумовое загрязнение

Сильный продолжительный и особенно постоянный шум – скрытый и опасный враг человека и других живых существ. Значительный и продолжительный шум ограничивает продолжительность труда, приводит к преждевременному расстройству и разрушению слухового аппарата, развитию сердечнососудистых заболеваний (гипертонии, аритмии), поражению нервной системы, язвенной болезни и другим расстройствам. Наиболее распространённые симптомы шумового влияния – раздражительность, рассеянность и, как следствие, невроз. Шум обостряет хронические заболевания. Любопытно, что во время сна шум оказывает более негативное воздействие, чем в часы бодрствования.

Воздействие шума на человека определяется его уровнем (громкостью, интенсивностью) и высотой составляющих его звуков, а также продолжительностью воздействия. Понятия «интенсивность» и «громкость шума» принимаются в быту за синонимы, однако не совсем тождественны: интенсивность – объективная характеристика звука; громкость – характеристика его субъективного восприятия. Установлено, что громкость звука возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность. Уровень шума выражается в децибелах (дБ). 1 дБ – это отношения давления, которое оказывают звуковые волны на барабанную перепонку уха, к предельно низкому, ещё ощущаемому ухом давлению.

Минимальная интенсивность звука, воспринимаемая ухом, называется порогом слышимости. Порог слышимости различен для звуковых колебаний разных частот. Органы слуха человека наиболее чувствительны к частоте 1000–3000 Гц. Верхнюю границу интенсивности звука, которую человек ещё способен воспринимать, называют порогом болевого ощущения. Шум 0 дБ создаёт зимний лес в безветренную погоду. Шум 1 дБ еле уловим при исключительно остром слухе. Шум от нормального дыхания оценивается как 10 дБ, и такой уровень принимают за порог слышимости людей с нормальным слухом. Шёпот создаёт шум 20 дБ. Отдых и сон считают полноценным, когда шум не превышает 25–30 дБ, в учреждениях и на предприятиях шум достигает 40–60 дБ. На шумных предприятиях шум достигает 70 дБ. Кратковременно допустим шум 80 дБ. Более сильный шум вреден, болевой порог лежит обычно в пределах 120–130 дБ, за которым возможно повреждение слухового аппарата. Согласно санитарным нормам, уровень шума около зданий днём не должен превышать 55 дБ, а ночью (с 23 до 7 ч) 45 дБ, в квартирах соответственно 40 и 30 дБ.

В диапазоне слышимых человеком звуков (от 16 до 20 000 Гц) самое неблагоприятное воздействие на человека оказывает шум, в спектре которого преобладают высокие частоты (выше 800 Гц). Ультразвук (выше 20 кГц) и инфразвук (ниже 16–25 Гц) не воспринимаются человеческим ухом, но они также могут оказывать негативное влияние. По данным австрийских исследователей, шум в больших городах сокращает продолжительность жизни их жителей на 10–12 лет. Поставлены опыты, которые доказывают, что повышенный шум неблагоприятно влияет и на развитие растений. Уровни шумов от различных источников и реакция организма на акустические воздействия приведены в таблице.

Для человека практически безвреден шум 20–30 дБ, допустимая граница – 80 дБ, 130 дБ вызывают болевые ощущения, 150 дБ уже непереносимы.

Суммарный шум от больших транспортных потоков составляет 90–95 дБ (высокий уровень) и стоит на магистралях почти круглосуточно. От транспортного шума страдают, прежде всего, жители городов, а также посёлков, находящихся вблизи крупных автомагистралей, железнодорожных путей и станций, морских и речных портов, аэродромов, автопредприятий. Уровень шума в домах вдоль главных магистралей Москвы достигает 60 дБ. Самые шумные места – на Садовом кольце. В часы пик шум от трамваев на улицах превышает 77 дБ.

• Транспортные средства создают шум, дБ:

• Легковой автомобиль.................................................... 65–80
• Автобус........................................................................... 80–85
• Грузовой автомобиль.................................................... 80–90
• Мотоцикл....................................................................... 90–95
• Моторная лодка............................................................. 90–95
• Поезд метро.................................................................... 90–95
• Обычный поезд............................................................. 95–100
• Самолёт на взлёте....................................................... 110–130
• Крупный реактивный самолёт.................................. 155–160

В настоящее время в ряде стран установлены предельно допустимые уровни шума для предприятий, отдельных машин, транспортных средств. Например, к эксплуатации на международных линиях допускаются самолёты, создающие шум не выше 112 дБ днём и 102 дБ ночью. Начиная с моделей 1985 г. максимально допустимые уровни шума: для легковых автомобилей 80 дБ, для автобусов и грузовых автомобилей в зависимости от массы и вместимости соответственно 81–85 дБ и 81–88 дБ.

Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Скандинавские учёные пришли к выводу, что каждый пятый подросток плохо слышит, хотя и не всегда об этом догадывается. Причина – злоупотребление переносными плеерами и долгое пребывание на дискотеках. Обычно уровень шума на дискотеке составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума интенсивного уличного движения или взлетающего в 100 м турбореактивного самолёта. Громкость звука плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же оглушительно работает отбойный молоток. Правда, для рабочих в таких ситуациях предусмотрена шумовая защита. Если ею пренебречь, то уже через 4 ч непрерывного грохота (в неделю) возможны кратковременные нарушения слуха в области высоких частот, а позднее появляется звон в ушах.

Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в течение 1,5 мин. Французские учёные отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они, скорее всего, будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий уровень громкости мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание – это следует учитывать при выполнении домашней работы. Когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем всё это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Эти перегрузки – причина каждого, по крайней мере, десятого инфаркта.

Первый симптом ухудшения слуха называется эффектом званого ужина. На многолюдном вечере человек перестаёт различать голоса, не может понять, почему все смеются. Он начинает избегать многолюдных встреч, что ведёт к его социальной изоляции. Многие люди с нарушением слуха впадают в депрессию и даже страдают манией преследования.

Существуют методы борьбы с шумом: хороши зелёные насаждения и шумозащитные экраны для защиты малоэтажной застройки; для защиты индивидуальных квартир применяют стеклопакеты (окна с улучшенной звукоизоляцией) либо заменяют стёкла на более толстые (при двойном остеклении первые должны быть толщиной 4 мм, вторые – 6 мм).

3.1.2  Действие шума на организм человека

Шум, даже когда он невелик (при уровне 50—60 дБ), создает значительную нагрузку на нервную систему человека, оказывая на него психологическое воздействие. Это особенно часто наблюдается у людей, занятых умственной деятельностью. Слабый шум различно влияет на людей. Причиной этого могут быть: возраст, состояние здоровья, вид труда, физическое и душевное состояние человека в момент действия шума и другие факторы. Степень вредности какого-либо шума зависит также от того, насколько он отличается от привычного шума. Неприятное воздействие шума зависит и от индивидуального отношения к нему. Так, шум, производимый самим человеком, не беспокоит его, в то время как небольшой посторонний шум может вызвать сильный раздражающий эффект.

Известно, что ряд таких серьезных заболеваний, как гипертоническая и язвенная болезни, неврозы, в ряде случаев желудочно-кишечные и кожные заболевания, связаны с перенапряжением нервной системы в процессе труда и отдыха. Отсутствие необходимой тишины, особенно в ночное время, приводит к преждевременной усталости, а часто и к заболеваниям. В этой связи необходимо отметить, что шум в 30—40 дБ в ночное время может явиться серьезным беспокоящим фактором. С увеличением уровней до 70 дБ и выше шум может оказывать определенное физиологическое воздействие на человека, приводя к видимым изменениям в его организме. Под воздействием шума, превышающего 85—90 дБ, в первую очередь снижается слуховая чувствительность на высоких частотах. Сильный шум вредно отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек, работая при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление, может привести к ухудшению слуха, а иногда и к глухоте, нарушается процесс пищеварения, происходят изменения объема внутренних органов.
Воздействуя на кору головного мозга, шум оказывает раздражающее действие, ускоряет процесс утомления, ослабляет внимание и замедляет психические реакции. По этим причинам сильный шум в условиях производства может способствовать возникновению травматизма, так как на фоне этого шума не слышно сигналов - транспорта, автопогрузчиков и других машин.

Эти вредные последствия шума выражены тем больше, чем сильнее шум и чем продолжительнее его действие. Таким образом, шум вызывает нежелательную реакцию всего организма человека. Патологические изменения, возникшие под влиянием шума, рассматривают как шумовую болезнь.
Звуковые колебания могут восприниматься не только ухом, но и непосредственно через кости черепа (так называемая костная проводимость). Уровень шума, передаваемого этим путем, на 20—30 дБ меньше уровня, воспринимаемого ухом. Если при невысоких уровнях передача за счет костной проводимости мала, то при высоких уровнях она значительно возрастает и усугубляет вредное действие на человека.
При действии шума очень высоких уровней (более 145 дБ) возможен разрыв барабанной перепонки.

4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА.

Как уже говорилось, звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают. В этом легко убедиться на простом опыте. Если электрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которого откачен воздух, мы никакого звука не услышим. Но как только колпак наполнится воздухом, возникает звук.

Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя»

Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.

В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.

Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке - 50, в воздухе - 330, в воде - 1450, а в стали - 5000 метров в секунду. Если бы мы, находились в Москве, могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до Петербурга, то нас услышали бы там только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся в стали, то он был бы принят через две минуты.

На скорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той же среды. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450 метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а, следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Или возьмем сталь. Здесь тоже скорость звука зависит как от температуры, так и от качественного состава стали: чем больше в ней углерода, тем она тверже, тем звук в ней распространяется быстрее.

Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны, идущие из воздуха, почти полностью отразятся от поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегося в воде, отражаются от нее вниз.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения и наоборот.

В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящийся сферической волны, которая заполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные источниками звука, передаются массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны - распространяются дальше.

При увеличении толщины стенки звуколокация на низких средних частотах увеличивается, но «коварный» резонанс совпадения, вызывающий удушение звуколокации, начинает проявляться, более низких частотах и захватывает более широкую их область. Ослабление звука связано и с тем, что звуковая волна постепенно теряет энергию из-за поглощения ее средой. Степень поглощения опять-таки определяется свойствами среды. В более вязкой среде, например в вате, каучуке, поглощение больше. Однако оно во многом зависит и от частоты звука. Чем больше частота, тем больше поглощение. Звук частоты 10000 Гц поглощается в 100 раз больше, чем звук частоты 1000 Гц. Не случайно орудийный выстрел вблизи кажется нам оглушающе резким, издали - более мягким, глухим. Это объясняется тем, что звук от выстрела пушки содержит в себе как низкие, так высокие частоты, а звуки высоких частот поглощаются в воздухе больше, чем звуки низких частот. Находясь далеко от стреляющей пушки, мы слышим звуки более низких частот, а звуки высоких не доходят до нас - они поглощаются. Еще более наглядный пример, подтверждающий это явление - звучание удаляющегося оркестра. Сначала пропадают высокие звуки флейт и кларнетов, затем средние - корнетов и альтов, и наконец, когда оркестр будет уже совсем далеко, слышен только большой барабан.

На дальность распространения звука большое влияние оказывает рефракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч.

Дальность распространения звука в море, как правило, равна (в зависимости от мощности источника звука) десяткам или сотням километров. Но бывают случаи, когда распространяется по так называемому подводному каналу, который возникает чаще всего в океане. Это область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, а достигнув минимума, начинает возрастать. Физически это обусловливается большой зависимостью распространения звука в морской воде от ее температуры, солености и гидростатического давления.

С глубиной скорость звука уменьшается, но лишь до тех пор, пока понижается температура воды. Достигнув определенного уровня, скорость начинает возрастать из-за повышения гидростатического давления. Верхние и нижние границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями звука. За ось канала принимается глубина с наименьшей скоростью распространения звука.

Сверхдальнее происхождение звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи, почти полностью отражаясь от верхней и нижней границ звукового канала, не выходят за его пределы, а концентрируются и распространяются вдоль оси звукового канала.

«Чтобы лучше понять это, - говорит академик Л.М. Бреховский, - вспомните, как ведет себя уставший путник, он предпочитает держаться теневой, более прохладной стороны, нести на своих плечах как можно меньше груза и двигаться с минимальной скоростью. Ведь только при этом он сможет пройти максимальное расстояние. Звуковой луч в морской воде подобен этому путнику. Выйдя из источника, он уходит вверх от оси звукового канала. Чем выше, тем теплее, и луч заворачивает вниз, «в холодок», и углубляется до тех пор, пока не начинает «ощущать» тяжесть повышающегося гидростатического давления».

Американские ученые проделали в Атлантическом океане эксперимент, подтверждающий слияние среды на дальность распространения звука. На глубине 500 метров каждый. Спустя некоторое время взрыв был зафиксирован на Бермудских островах, удаленных от места эксперимента на 4500 км. Такой взрыв в воздухе слышен всего на расстоянии 4 км, а в лесу - не более 200 м.

Явление сверх дальнего распространения звука в подводном звуковом канале специалисты использовали для создания спасательной системы «Софар». С кораблей и самолетов, терпящих бедствие, сбрасывают небольшие бомбочки весом от 0,5 до 2,5 кг, которые взрываются на глубине залегания оси звукового канала. Береговые посты принимают место взрыва, а, следовательно, и место катастрофы.

5. Ультразвуки и инфразвуки.

Сейчас акустика, как область физики рассматривает более широкий спектр упругих колебаний - от самых низких до предельно высоких, вплоть до 1012 - 1013 Гц. Не слышимые человеком звуковые волны с частотами ниже 16 Гц называют инфразвуком, звуковые волны с частотами от 20 000 Гц до 109Гц - ультразвуком, а колебания с частотами выше, чем 109Гц называют гиперзвуком.

Этим неслышимым звукам нашли много применения. Ультразвуки и инфразвуки имеют очень важную роль и в живом мире.

Так, например, рыбы и другие морские животные чутко улавливают инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями. Таким образом, они заранее чувствуют приближение шторма или циклона, и уплывают в более безопасное место. Инфразвук - это составляющая звуков леса, моря, атмосферы. При движении рыб, создаются упругие инфразвуковые колебания, распространяющиеся в воде. Эти колебания хорошо чувствуют акулы за много километров и плывут на встречу добыче.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).

Проведённые наблюдения показали, что муравьи так же издают ультразвуковые сигналы с разными частотами в разных ситуациях. Все записанные эти муравьиные звуковые сигналы можно разделить на три группы: "сигнал бедствия", "сигнал агрессии" (во время борьбы) и "пищевые сигналы". Эти сигналы представляют собой кратковременные импульсы, длительностью от 10 до 100 микросекунд. Муравьи издают звуки в сравнительно широком диапазоне частот - от 0,3 до 5 килогерц.

5.1 Звуколокация.

На явлении эхо основан метод определения расстояний до различных предметов и обнаружения их месторасположений. Допустим, что каким-нибудь источником звука испущен звуковой сигнал и зафиксирован момент его испускания. Звук встретил какое-то препятствие, отразился от него, вернулся и был принят приёмником звука. Если при этом был измерен промежуток времени между моментами испускания и приёма, то легко найти и расстояние до препятствия. За измеренное время t звук прошёл расстояние 2s, где s - это расстояние до препятствия, а 2s - расстояние от источника звука до препятствия и от препятствия до приёмника звука. Если скорость звука v известна, то можно написать:

S=υ·t/2

По этой формуле можно найти расстояние до отражателя сигнала. Но ведь надо ещё знать, где он находится, в каком направлении от источника сигнал встретил его. Между тем звук распространяется по всем направлениям, и отраженный сигнал мог прийти с разных сторон. Чтобы избежать этой трудности используют не обычный звук, а ультразвук.

Ультразвуковые волны по своей природе такие же, как обычные звуковые волны, но не воспринимаются человеком как звук. Это объясняется тем, что частота колебаний в них больше, чем 20 000 Гц. Такие волны наблюдаются в природе. Есть даже такие живые существа, способные их испускать и принимать. Ультразвуковые волны и притом большой мощности можно создавать с помощью электрических и магнитных методов.

Главная особенность ультразвуковых волн состоит в том, что их можно сделать направленными, распространяющимися по определённому направлению от источника. Благодаря этому по отражению ультразвука можно не только найти расстояние, но и узнать, где находится тот предмет, который их отразил. Так можно, например, измерять глубину моря под кораблем.

Звуколокаторы позволяют обнаруживать и определять местоположение различных повреждений в изделиях, например пустоты, трещины, постороннего включения и др. В медицине ультразвук используют для обнаружения различных аномалий в теле больного - опухолей, искажений формы органов или их частей и т.д. Чем короче длина ультразвуковой волны, тем меньше размеры обнаруживаемых деталей. Ультразвук используется также для лечения некоторых болезней.

5.2 Применение ультразвуков и инфразвуков.

Ещё полстолетия назад неслышимый звук был мало кому известен; первые научные изыскания носили чисто академический характер. Однако практика поставила некоторые неотложные задачи, и новые открытия наметили пути к их разрешению. Неслышимый звук получил многочисленные применения.

Ещё сравнительно недавно никто не мог предположить, что звуком станут не только измерять глубину моря, но и сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи.

В.В. Шулейкин в 1932 году обнаружил явление, которое он назвал "голосом моря". Взаимодействие сильного ветра и морских волн создаёт сильные инфразвуковые волны, которые распространяются со скоростью звука, т.е. значительно быстрее циклона. Они бегут по морским волнам, усиливаясь. Этот инфразвук может служить ранним предвестником бури, шторма или циклона.

Ультразвуковым волнам было найдено больше применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2.

5.2.1  Применение инфразвука

Поющие пески. Есть на земле места (отмели Кольского полуострова, долины рек Вилюя и Лены, побережье Байкала), где обширные площади движущихся песков звучат так, что кажется, будто вокруг «поёт» вся пустыня. Особенно громко пески поют на гребнях барханов и дюн. В других местах звучат лишь небольшие участки, песчаные косы и пляжи, подчас поросшие кустарником. Порой звуки раздаются самые неожиданные: то лай собаки, то звон натянутой струны, то звучание органа, а то и рёв авиационных двигателей. Жители города Никополя многократно слышали звучание песка на косе речки Лапинки (один из рукавов Днепра). Очень хорошо это пение было слышно в 1952 г., особенно после дождя, когда верхний слой песка слипался, а затем подсыхал, образуя рыхлую корку. Когда по нему шли, он издавал звуки, похожие на свист воздуха, выпускаемого из автомобильной камеры.

На правом берегу реки Или, в ста восьмидесяти двух километрах от Алма-Аты, находится знаменитый Поющий бархан. Длина его достигает двух километров, ширина – полукилометра, а высота – ста пятидесяти метров. Сложен он из чистого жёлтого песка, отливающего золотом. Венчает бархан острый гребень. Песок тут звучит, когда начинает осыпаться.

Что же заставляет пески звучать? Некоторые учёные считают, что звук рождается при трении множества песчинок друг о друга. Песчинки покрыты тонким налётом соединений кальция и магния, и звуки возникают так же, как под скрипичным смычком, когда им проводят по струнам, натёртым канифолью. Другие полагают, что основная причина заключена в движении воздуха в промежутках между песчинками. Когда бархан осыпается, промежутки то увеличиваются, то уменьшаются, воздух то проникает в них, то выталкивается оттуда. Есть и такое объяснение: звуки вызываются электризацией песка. Благодаря трению песчинки заряжаются разноимённо и начинают отталкиваться одна от другой. А это порождает звуки, как при обычном электрическом разряде. Советскому учёному Я.В.Рыжко удалось искусственно получить такой звучащий песок. Он взял обычный речной песок, просушил, очистил от пыли, удалил из него все посторонние примеси и затем наэлектризовал при помощи обычной электрофорной машины. И песок зазвучал – при нажиме рукой издавал скрипящие звуки.

Гул песка (очень похожий на рёв реактивного самолёта) можно объяснить следующим. В любом бархане на небольшой глубине вследствие конденсации влаги из воздуха образуется слой уплотнённого влажного песка. Весной и осенью, после дождей, он смыкается с поверхностным, тоже влажным, слоем, – и тогда бархан становится немым. Летом, в жару, песок сверху высыхает, под ним остаётся влажный слой, а ещё ниже – снова сухой. Когда по бархану течёт песчаная лавина, то верхние слои песка, испытывая меньше трения, обгоняют нижние, при этом возникает своеобразная, хорошо заметная волнистость поверхности. Она передаётся толчками на слои влажного песка, и он, как дека музыкального инструмента, резонирующая от колебания струны, начинает вибрировать, издавая характерный гул.

Между прочим, когда такой песок привозят для изучения в лабораторию, он замолкает. Но если его поместить в герметично закрытый сосуд, он снова начинает звучать. Почему? Пока можно только высказывать предположения.

Инфразвук (от лат. infra – ниже, под) – упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоты ниже слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового (ИЗ) диапазона принимают 16–25 Гц, нижняя граница не определена. Практический интерес могут представлять колебания частотой от десятых и даже сотых долей герца, т.е. периодами в десяток секунд. Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса, моря. Источниками ИЗ-колебаний являются грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются ИЗ-колебания, возбуждаемые самыми разнообразными источниками, в том числе землетрясениями, взрывами, обвалами и даже транспортными средствами.

Поскольку инфразвук слабо поглощается в различных средах, он может распространяться на очень большие расстояния в воздухе, воде и земной коре. Это находит практическое применение при определении местоположения эпицентра землетрясения, сильного взрыва или стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказывать стихийные бедствия, например, цунами. Взрывы, порождающие большой спектр ИЗ-частот, применяются для исследования верхних слоёв атмосферы, свойств водной среды.

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию его уровня. Основные техногенные источники инфразвука в городе приведены в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека. В конце 60-х гг. французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5–9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют ИЗ-частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из этого места.

Профессор Гавро познакомился с инфразвуками почти случайно. В одном из помещений лаборатории, где работали его сотрудники, с некоторых пор стало невозможно находиться. Достаточно было пробыть здесь два часа, чтобы почувствовать себя совсем больным: кружилась голова, наваливалась усталость, мысли путались, а то и вовсе не хотелось думать о чём-либо.

Прошёл не один день, прежде чем исследователи сообразили, где следует искать неизвестного врага. Им оказались инфразвуки большой мощности, создаваемые вентиляционной системой нового завода, построенного близ лаборатории. Частота этих волн равнялась 7 Гц. Профессор Гавро высказал предположение, что биологическое действие инфразвука проявляется, если частота волны совпадает с так называемым альфа - ритмом головного мозга.

Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Возможно, что оно связано с возбуждением резонансных колебаний в организме. Так, собственная частота нашего вестибулярного аппарата близка к 6 Гц, и многим знакомы неприятные ощущения при длительной езде в автобусе, поезде, при плавании на корабле или качании на качелях. Говорят: «Меня укачало».

При воздействии инфразвука могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазом, начинает «ломаться» горизонт, возникают проблемы с ориентацией в пространстве, приходят необъяснимые тревога и страх. Подобные же ощущения вызывают и пульсации света частотой 4–8 Гц. Ещё египетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, связывали его и с помощью зеркала пускали в глаза пульсирующий солнечный луч. Через некоторое время у пленника появлялись судороги, начинала идти пена изо рта, психика подавлялась, и он начинал отвечать на вопросы.

Сходные воздействия инфразвука и мигающего света, не считая даже повышенную громкость звука, испытывают посетители дискотек. Вполне возможно, что они не проходят бесследно, и в организме могут происходить какие-либо нежелательные и необратимые изменения.

Британские учёные продемонстрировали, что под воздействием инфразвука люди испытывают примерно те же ощущения, что и при «встречах» с призраками. Был поставлен такой эксперимент. С помощью семиметровой трубы учёным удалось подмешать к звучанию обычных музыкальных инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта слушателей (а их было 750 человек) попросили описать впечатления. «Подопытные» сообщили, что чувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже бежали мурашки, у кого-то возникало тяжёлое чувство страха.

При землетрясениях и подвижках земной коры генерируются волны трёх типов: P, S, и L. P-волны (от англ. primary – первичный) – продольные волны сжатия-растяжения, распространяются на огромные расстояния со скоростью звука в данной среде. S-волны (от англ. secondary – вторичный) – поперечные, они могут распространяться только в скальных породах. L-волны (волны Лява, по имени открывшего их учёного A.Love) подобны морским и распространяются вдоль границ разных сред с малой скоростью, зависящей от частоты. Волна инфразвука, дойдя до поверхности Земли от центра землетрясения, превращается в L-волну, которая и вызывает наблюдаемые многочисленные разрушения. Такие же, но более слабые, волны возникают при подземных ядерных взрывах.

Инфразвук – причина катастроф. Дело в том, что в Мировом океане громадные запасы метангидрата – метанового льда. Это конгломерат воды и газа, состоящий из кластеров из 32 молекул воды и 8 молекул метана. Метангидраты образуются там, где на морском дне через трещины в земной коре выделяется природный газ. Инфразвуковая волна, обладая огромной энергией, разрушает метановый лёд, и газ метан выделяется в воду. Кратеры, выделяющие метан, были обнаружены научно-исследовательским кораблём «Полярная звезда» (ФРГ) в море Лаптевых и у берегов Пакистана в 1987 г. Образующаяся при выделении метана газоводяная смесь имеет очень малую плотность, и корабль, оказавшийся в этой зоне, может внезапно утонуть. Так же и самолёт, пролетающий над таким местом, может неожиданно глубоко «провалиться» в воздушную яму и удариться о поверхность воды. Считается, что многие необъяснённые катастрофы кораблей и самолётов связаны именно с непредсказуемым выделением метана из морских глубин.

Инфразвуковые колебания в атмосфере Земли являются результатом действия многочисленных причин: галактических космических лучей, гравитационных воздействий Луны и Солнца, падений метеоритов, электромагнитных излучений и корпускулярных потоков от Солнца, а также геосферных процессов. Взаимодействие электромагнитного излучения с оптическими неоднородностями атмосферы может приводить к генерации акустических колебаний в широком диапазоне частот. Следует ожидать поэтому, что в спектре ИЗ-колебаний атмосферы должна проявляться ритмика солнечной активности. Это может обуславливать широко известную связь солнечной активности с биосферными процессами.

ИЗ-колебания в атмосфере связаны также с сейсмической активностью, причём они могут быть и внешним воздействием на подготовительные процессы, и их результатом. Связь интенсивности сейсмических процессов с солнечной активностью была обнаружена при анализе глобальной сейсмичности и
11-летних солнечных циклов. Сейчас считается, что эта связь осуществляется через циклоническую активность в атмосфере.

В ЛЦ ИКИ в результате анализа спектров инфразвука, полученных в период 1997–2000 гг., обнаружены годовые, сезонные, 27-суточные и суточные периоды колебаний. Подтверждена гипотеза о возрастании энергии инфразвука при уменьшении солнечной активности. Максимальная годовая энергия инфразвука наблюдалась в 1997 г., когда солнечная активность была в минимуме, аналогичное наблюдалось и при её кратковременных (5–10 суток) изменениях. Исследования ИЗ-спектров до и после крупных землетрясений показало их характерные изменения перед крупными землетрясениями. В результате экспериментов по наблюдению электромагнитных откликов на акустические возмущения в атмосфере, создаваемые с помощью мобильного акустического излучателя, доказана связь инфразвука с геомагнитными вариациями.

Таким образом, Солнце, межпланетная среда, атмосфера и литосфера представляют собой единую систему, и существенную роль в процессах их взаимодействия играют ИЗ-волны.

5.2.2 Применение ультразвука

Ультразвук – упругие волны высокой (более 20 кГц) частоты. Хотя о существовании ультразвука учёным было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.

Генерация ультразвуковых (УЗ) волн. Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. В газовой среде УЗ-волны обычно возбуждаются механическими излучателями разного рода – сиренами прерывистого действия. Мощность ультразвука – до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. УЗ-волны в жидкостях и твёрдых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

Сирена – один из видов механических УЗ-излучателей. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены имеют камеру, закрытую сверху диском (статором) с большим количеством отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске – роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают. Основная задача при изготовлении сирен – это, во-первых, увеличить число отверстий в роторе и, во-вторых, увеличить скорость его вращения. Однако совместить эти требования очень трудно.

Свисток Гальтона. Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 г. англичанин Ф.Гальтон. При пропускании под высоким давлением воздуха через маленькую цилиндрическую резонансную полость в результате удара цилиндрического поршня о губу (металлическую пластинку) в зазоре генерируется ультразвук частотой около 170 кГц (определяется размерами кольцевого сопла и губы). Мощность свистка Гальтона невелика, его в основном применяют для подачи команд при дрессировке собак.

• Применение ультразвука в медицине

Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет, но до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме его воздействия на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый микромассажем.

Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.

Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей мозга и постановки диагноза.

Акушерство – область медицины, где эхоимпульсные УЗ-методы наиболее прочно укоренились, как, например, ультразвуковое исследование (УЗИ) движения плода, которое недавно прочно вошло в практику. Сейчас происходит накопление информации по движению конечностей плода, псевдодыханию, по динамике сердца и сосудов. Пока исследуются физиология и развитие плода, а до обнаружения аномалий пока ещё далеко.

Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологий и аномалий его структур в случае непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Область позади глаза – орбита – доступна обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов исследования патологий этой области.

Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных сосудов. Это связано с возможностью быстрого получения пространственной информации, а также возможностью её объединения с томографической визуализацией.

Терапия и хирургия. Давно известно, что УЗ-излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил его повреждающее действие на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что УЗ-волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее, лишь недавно стал намечаться научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии УЗ-излучения с биологической средой. Терапевтический ультразвук можно разделить на ультразвук низких и высоких интенсивностей – соответственно неповреждающий нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты) и стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений (физиотерапия и некоторые виды терапии рака). При более высоких интенсивностях основная цель – вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях (хирургия). Электронная аппаратура используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком.

Оценка безопасности применения ультразвука в медицине. Пока невозможно выделить один или даже несколько физических параметров, которые служили бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих предсказать конечный биологический эффект. И всё же полезно выдвинуть некоторые критерии для правильного применения ультразвука:

1. Оператор должен использовать минимальные интенсивности и экспозиции, позволяющие получить у пациента желаемый клинический эффект.

2.  Обслуживающий персонал не должен облучаться без необходимости.

3.  Все процедуры должны выполняться хорошо обученным персоналом или под его руководством.

Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление в волне обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения косяков рыбы или других подводных объектов. Одна из первых практических УЗ-систем обнаружения подводных лодок появилась в конце Первой мировой войны.

Ультразвуковой расходомер. Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается со скоростью потока, то вычитается из неё. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, в итоге вычисляется скорость потока, а по ней – и массовая скорость (расход). Этот измеритель может применяться как в замкнутом контуре (например, для исследований кровотока в аорте или охлаждающей жидкости в атомном реакторе), так и в открытом (например, реки).

Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств этой среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую УЗ-химией. Она исследует и стимулирует такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций.

УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами в металлических расплавах, и разрушает оксидную плёнку алюминия, и позволяет производить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей из очень твёрдых и хрупких материалов, как, например, стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая сталь. В промышленности также используется большой ассортимент оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенцев с малогабаритных деталей.

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей. Ещё в 1927 г. американские учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и облучить ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, т.е. мелкая взвесь масла в воде. Это широко используется в промышленности для изготовления лаков, красок, фармацевтических изделий, косметики.

6. Звукотерапия – лечение звуком.

Наш мир прекрасен. Но он бы не был таковым без многочисленных звуков, которые нас постоянно преследуют. Эти звуки иногда очень сильно отличаются друг от друга. Все звуки можно разделить на те, которые непомерно раздражают и наоборот те, которые нравятся и к тому же даже полезны.

Категоричного разделения звуков на неприятные и приятные оказывается, не существует. Да и подумайте сами – все люди разные со своими предпочтениями. Допустим один просто в восторге от прослушивания классической музыки, при прослушивании которой он становится более спокойным, иному же человеку данная музыка может не нравиться или даже раздражать, зато тяжелы композиции, к примеру, рок-металл, наоборот приводят в норму и позволяют жить и действовать в привычном темпе.

Иногда реакция на одни и те же звуки у одного и того же человека может быть разная. В большой степени реакция на звуки зависит от конкретной ситуации, от интенсивности того или иного звука, а еще и от настроения слушателя. Приведем такой пример, строится ваш будущий дом, в который просто не терпится выехать. Строительные работы обязательно сопровождаются шумом, но он вас не беспокоит, так как строится именно ваш дом. Если бы работы по строительству затеял, кто-либо иной, и вы бы слышали эти шумы, соре все это бы раздражало.

• Действие звука на организм человека

Люди стали замечать действие тех или иных звуков на человека и его организм, в общем. Постепенно эти знания собирались и систематизировались. Их еще и сейчас не так уж много, но достаточно для того, чтобы звукотерапия стала считаться отдельным направлением в медицине, хотя еще и малоисследованным.

Во время проигрывания музыки образуются невидимые для глаза человека частотные колебания. Возникающие вибрации своеобразно влияют на внутренние органы человека и могут заставлять работать практически все механизмы высшей нервной деятельности. Реакции, вызванные звуком, положительно влияют на здоровье человека, в результате он выздоравливает намного быстрее.

Сейчас уже специалисты уверенны в том, что конкретная нота положительно влияет на определенный орган или помогает в лечении конкретной болезни. Вот, к примеру, верхняя частота ноты фа способствует скорому выведению токсических веществ.

В тибетской медицине принято сочетать звукотерапию с массажем. Сторонники данного метода лечения в последнее время начали использовать тибетские «поющие» чаши. Эти чаши изготавливаются из сплавов металлов. В результате данные чаши, используемые в Тибете для медитаций, позволяют извлечь удивительные звуки, которые невозможно услышать от каких-либо иных музыкальных инструментов. При использовании данных «поющих» чаш, их устанавливают на больного, а затем посредством сосновых или палисандровых палочек пытаются извлечь из них звуки. Данные манипуляции приводят к появлению вибраций. Эти же вибрации, в свою очередь, через органы слуха действуют на внутренние органы пациента.

• Влияние звука на здоровье человека

Положительное влияние звуковых волн на организм людей уже доказано научно. Почему часто можно услышать музыку в кабинете у стоматолога или иного врача? Все просто, музыка – это своеобразное лекарство, а точнее успокоительное. Принимать такое лекарство можно без рецепта и где угодно. Следует сказать, что точно не установлено какую музыку следует слушать каждый должен выбрать то, что нравится именно ему. При прослушивании следует только следить за темпом композиций, их ритмом и силой звучание – ничего из этого не должно вносить негатив, музыка должна расслаблять и доставлять удовольствие.

От темпа звучания музыки будет зависеть ваше состояние. Если композиции более спокойные – человек расслабляется, в большинстве случаев засыпает. Если же музыка наоборот быстрая – появляется желание потанцевать, чувствуется прилив новых сил.

• Пение для здоровья: петь полезно

Вы любите петь? Пойте на здоровье. И правда на здоровье, ведь голос так же является звуком. Петь для себя можно в то время когда окружающие звуки очень сильно раздражают, а избавиться от них нельзя. А вот свой собственный голос скорее своего сможет несколько успокоить, особенно если с губ будут срываться звук любимых песенок или просто музыкальных мотивов. Кстати во время пения приходится немного поднапрячь свои легкие – набирать в них как можно большее количество воздуха, вследствие этого развеивается сонливость, исчезает усталость, становится легче сконцентрироваться на какой-либо задаче.

Звукотерапия - часть медицины, которая еще и сама делится на несколько составляющих. Звуки природы являются одной из этих составляющих. Если есть возможность, следует больше времени проводить на свежем воздухе рядышком с природой. Однако такая возможность есть не у каждого. В этом случае следует просто приобрести себе диск со звуками природы. Вот пришли домой, включили «природный» диск, закрыли глаза и… на самом деле оказались где-то на берегу моря, или на лесной полянке, или же на берегу прекрасной речушки… В общем, у кого какая фантазии. Пройдет всего несколько минут и станет сразу легче, почувствуется расслабленность, снова захочется жить и творить.

Неплохо бы еще под приятные звуки и подвигаться, обогатив, таким образом, свой организм кислородом. Можно сделать зарядку, можно пробежаться, а можно просто потанцевать под энергичную музыку – главное помнить о том, что и музыка, и движения должны приносить удовольствия, иначе все старания окажутся напрасными.

7. Цифровые наркотики и их влияние на организм человека

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подведем итоги всего выше сказанного.

Звук обуславливается механическими колебаниями в упругих средах и телах, частоты которых лежат в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц , то есть, которые способно воспринимать человеческое ухо. Неслышимые механические колебания с частотами ниже звукового диапазона называются инфразвуковыми, а с частотами выше звукового диапазона называются ультразвуковыми. Звук, который мы слышим тогда, когда источник его совершает гармоническое колебание, называется музыкальным тоном. Во всяком музыкальном тоне мы можем различить на слух два качества: громкость и высоту. Наблюдения убеждают нас в том, что тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Высота тона определяется частотой колебаний. Чем выше частота и, следовательно, чем короче период колебаний, тем более высокий звук мы слышим. Волны не распространяются мгновенно. Скорость распространения волн зависит от среды, где распространяются волны а так же от температуры. Так, например в воздухе при температуре 20`С эта скорость составляет 343 м/с , а в стальном рельсе при температуре 15`С эта скорость составляет 5000 м/с. Если бы в современной физике не было таких понятий как, механические колебания и волны, то мы не знали бы, почему мы слышим друг друга, Томас Эдисон не изобрел бы телефон и фонограф, и их бы не было в нашей повседневной жизни.

Литература

1. Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. – М., 1987.
2. Баулан И. За барьером слышимости. – М., 1971.
3.  Вилли К. Биология - М.: Мир, 1968.
4.  Дубровский И. М., Егоров Б. В., Рябошапка К.П. Справочник по физике. - Киев: Наукова думка, 1986.
5. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. шк. - 3-е изд. - М.: Просвещение, 1994.
6. Клюкин И.И Удивительный мир звука. Ленинград «Судостроение» 1986г.
7. Кошкин Н. И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике 10-е изд., М.: Наука, 1988
8. Льоццы М. История физики. - М.: Мир, 1970.
9. Мясников Л.Л. Неслышимый звук.
10. Пирс Дж. Почти всё о волнах.- М.: Мир, 1976.
11. Разговор муравьёв. "Наука и жизнь", 1978, No.1, стр. 141
12. Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. – Издательство «Знание», М., 1986.
13.  Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. – М., 2002.
14. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. / Под ред. Г.С. Ландсберга: Т.III. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. 11-е изд.-М.: Наука. Физматлит, 1995.
15. Энциклопедический словарь юного техника/ Cост. Б. В. Зубков С. В. Чумаков. - 2-е изд., М.: Педагогика, 1987.