Звукови вълни

Звукови вълни

Човешкото ухо е способно да възприема механичните трептения като звук, ако тяхната честота е в границите от 17 до 20 000 Hz. Такива трептения се наричат акустични или просто звук. Вълни с честота над 20 000 Hz се наричат ултразвук, а тези с честота под 17 – 20 Hz – инфразвук.
    Всяко тяло (твърдо,течно и газообразно), което трепти и създава в обкръжаващата среда звукови вълни, се нарича източник на звукови вълни.
   При разпространение на звуковите вълни в различни среди са характерни вече разгледаните при механичните вълни явления – отражение и пречупване, интерференция и резонанс, поглъщане и други.
    Необходимо условие за предаване на звуковите вълни е съществуването на среда между източника и приемника. Схематично процесът на разпространение на звука може да се представи така:

    Източник      -->       предаваща среда    -->          приемник

    Звуковите вълни биват напречни и надлъжни. В твърдите тела звуковите вълни могат да бъдат както напречни, така и надлъжни, а в течностите и газовете – само надлъжни.
    Направете си следния опит: Под стъкления похлупак на вакуумна помпа окачвате електричен звънец. Когато под похлупака има въздух, звукът от звънеца се чува ясно. При изпомпване на въздуха изпод похлупака звукът постепенно отслабва и накрая почти не се чува, макар че чукчето удря камбанката.
    С такива и подобни опити се доказва, че за разпространението на звука е нужна среда. Във вакуум звукови вълни не могат да се разпространяват.

             Звуковите вълни подобно на всички други вълни се разпространяват с крайна скорост. В различните среди звуковите вълни се разпространяват с различна скорост.
  Освен скоростта към характеристиките на хармоничните звукови вълни спадат: амплитудата А, дължината на вълната λ, периодът на звуковата вълна Т, честотата на трептенията υ. Зависимустите между тях са както при механичните вълни: υ = 1/Т, λ = uT и λ = u/ υ.
Зрението и слухът играят главна роля в живота на човека. Чрез тях получаваме информация какво става окло нас. Всичко това ни помага и ни дава възможност за една вярна ориентация в света, в който живеем.
    Разбира се, най – голямо количество информация получаваме чрез зрението, чрез светлината, която достига до нас от обкръжаващия ни свят. Не по – малка информация получаваме от звуковите вълни, излъчени или отразени от различни предмети или тела около нас. Но най – главното – това е речта. Ние сами създаваме и възприемаме звукови вълни и така общуваме един с друг.
    В медицината например преслушването на звуковите вълни, излъчени от някои вътрешни органи и сърцето с помощта на стетоскоп, може да даде важни сведения за работата им.
Интензитетът I на звукова вълна се определя от енергията, пренесена от звуковата вълна за единица време през единица площ, разположена перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната: I = E/St. Единицата за интензитет на звукова вълна се получава от последната формула, като [I] = J/m2.s = W/m2.
            Чувствителността на човешкото ухо е различна към звуковите вълни с различна честота. Ухото е най – чувствително към вълните с честота от 1000 до 5000 Hz. За всяка честота съществува една минимална стойност на интензитета на звуковата вълна, под която ухото не я възприема като звук. Тези стойности на интензитета за различните честоти на звука определят долния праг на чуване. При наратване стойността на интензитета на звукова вълна за всяка честота съществува една гона граница, над която звукът също не се възприема от ухото и предизвиква само усещане за болка. Тези гранични стойности определят прага на болката.
             Чувствителността на ухото към действията на звуковата вълна е физиологическо свойство на ухото и зависи от физичните характеристики на звуковата вълна: честота на трептене и интензитет на звука. Ухото може да ги окачестви като слаби и силни.
    Субективната преценка на интензитета на звуковата вълна се характеризира с величината ниво на интензитета (ниво на гръмкостта) и се измерва с единицата бел В (в чест на изобретателя на телефона Ал. Бел). Единицата бел (В) е твърде голяма. Обикновено на практика се използва 10 пъти по – малка единица – децибел (dB).
    Обаче звуковите вълни, възбудени от реалните източници на звук, представляват съвкупност от насложени голям брой хармонични вълни с различна честота и амплитуда. Тази съвкупност се нарича спектър на вълната. В зависимост от вида на честотния спектър и съответстващия им интензитет всички звукове може да ги разделим на две групи: 1. тонални или музикални звукове и 2. шумове.
    Тоналните или музикалните звукове са например звуковете, издавани от различни музикални инструменти.
    Шумовете са звукове с трептения от различно естество, отличаващи се по своята сложност и спектрална структура, т.е. съчетание на множество тонове, честоти, форми, интензитетът на които безпорядъчно се изменя във времето.
     Шумът може да бъде краткотраен (тракане, чукане, вик, взрив, изстрел и т.н.) или продължителен – например шум от работата на различни производствени машини, двигатели и др. Те обуславят шумовото замърсяване на околната среда.
     Шумът е вредно и полезно явление.
  Продължителното въздействие на шума върху слуховия орган предизвиква отслабване на чувствителността на ухото, може да доведе до частична или пълна загуба на слуха. Действайки върху нервната система, шумът предизвиква бърза умора, понижена работоспособност, различни нервни заболявания и т.н.
   Шумът играе съществена роля и в много области на науката и техниката: в акустиката, радиотехниката, радиолокацията, теорията на информацията, изчислителната техника, медицината и други. Например шумът като източник на информация се използва във военноморската техника – по шума, създаден от движението на подводници и кораби, те биват откривани и проследявани. В медицината по шумовете се изследва работата на сърцето, дихателните органи и т.н.
     Ултразвук По своята природа ултразвукът представлява вълна с висока честота (над 20.10 3 Hz и до 10 12 – 10 13 Hz) и следователно с много малка дължина на вълната.
    Ултразвукът намира приложение в различни области на науката, техниката, медицината и играе важна роля в живота на много животни.
    За излъчване на ултразвук се използват разнообразни устойства, които можем да разделим на две групи: механични излъчватели – свирки и сирени, използващи въздух или течност, и електромеханични – пиезоелектрични и магнитострикционни.
    За излъчване и регистриране на ултразвук със средни и високи честоти се използват основно пиезоелектрични преобразуватели, основани на обратния и правия пиезоелектричен ефект. Пиезоелектричния ефект  се състои в това, че при деформация на свиване и ратягане на изрязана по подходящ начин пластинка от пиезокристал (кварц, турмалин, сегнетова сол, бариев титанат и други) върху срещуположните й стени възникват разноименни електрични зарядаи. Така между тези стени се създава напрежение. При смяна на свиването с разтягане знакът на зарядите върху стените се сменя, напрежението, което възниква сега, е обратно. Върху тези определени повърхности се нанася тънък слой метал. Металното покритие се използва като електроди, чрез които се регистрира възникналото напрежение.
    Главната особеност на ултразвуковите вълни е тяхната висока честота (следователно малка дължина на вълната), която позволява да бъдат излъчени във вид на тесен сноп от лъчи и тяхното разпространение да се разглежда по методите на геометричната оптика. Това позволява ултразвукът да се използва за научни изследвания. По характера на разпространението и поглъщането му в газовете, течностита и твърдите тела може да се получи ценна информация за свойствата и строежа на веществата.
Преобразувайки звуковите трептения в електрични, а електричните в светлинни, е възможно да се видят едни или други обекти в непрозрачната среда. На този принцип се основават и микроскопи с висока контрастност, използвани в биологията.
На принципа на отражението на ултразвукови импулси се основава работата на ехолога. Ехологът е навигационен уред за измерване дълбочини на водни басейни, проучване на релефа на дъното и т.н. с помощта на ултразвукови ехо – сигнали. Действието на ехолота се основава на измерванена интервала от време t, изтекло от момента на изпращане на сондиращия ултразвуков импулс до момента на приемането на отразения от дъното (или обекта) ехо – сигнал. Дълбочината на дъното е h = ut/2, където u е скоростта на звука във вода. Ехосигналът е вълна, отразена от кое да е препятствие (обект, прграда, хълм) и приета от наблюдателя.
В медицината ултразвукът се използва за диагностика, терапевтика и хирургично лечение. Способността на ултразвука без съществено поглъщане да преминава през меките тъкани на организма и да се отразява от нееднородности се използва за диагностика на вътршни органи. Микромасаж на тъканите, активиране на процесите на обмяна на веществата и локалното нагряване на тъканите под действие на ултразвук се използват за терапевтични цели. В ултразвуковата хирургия се използва за разрушаване на тъкани, тумори, камъни в бъбреците и т.н., за съединяванеили безболезнено пробиване на отвори в коста и т.н.
            Обикновено за горна граница на инфразвуковите вълни се приемат честотите от 16 до 25 Hz, а долната граница не е определена и според съвременните изследвания достига до 0, 001 Hz. Източници на инфразвук са турболентното движение на атмосферата и вятъра, електричните заряди в атмосферата, водопадите, мосрките вълни, взривовете, оръдейните изстрели, реактивните самолети; в земната кора това са сътресения и вибрации от най – разнообразни източници – вулканични явления, земетресения, взривове; инфразвукови вълни се съдържат и в шумовете на различни машини, двигатели, транспортни средства. Като правило инфразвук се съдържа в състава на различни шумове – като в производството, така и естествени.
    За инфразвука е характерно слабото поглъщане в различни среди, вследствие на което се разпространява на много големи разстояния. Това позволява да се определят местата на силни взривове, да се предсказват бури, урагани, да се изследват горните слоеве на атмосферата, свойствата наводната среда. Въздействието на инфразвук с честота окло 7 Hz  може да има фатални последствия върху човешкия организъм.