Ультра и инфразвук в живой природе
Ультра и инфразвук в живой природе
Звук - это физический процесс распространения упругих волн в среде, с одной стороны, а с другой - это психофизиологический процесс, связанный с первым процессом.
В физике звуком называют любые упругие волны, при этом волны, частота которых меньше 16 Гц называются инфразвуковыми, а волны с частотами большими 20 кГц называются ультразвуковыми. Ультразвуковые волны с частотами выше ${10}^9Гц$ называют гиперзвуковыми.
Ультразвук
Ультразвуковая волна состоит из чередований сгустков и участков разряжения частиц среды. Ультразвуковая волна распространяется со скоростью, зависящей от свойств вещества и его температуры. Скорость звуковой волны в воздухе при температуре 200 С равна примерно 343,1 $\frac{м}{с}$.
Так как длина волны ($\lambda $) зависит от частоты, с ростом частоты длина волны уменьшается, следовательно, длина ультразвуковой волны много меньше, чем длина волны звука, который слышит человек.
Излучатели и приемники ультразвука
Ультразвуком называются механические волны, частота которых более 2$\cdot {10}^4$Гц. Верхний предел частоты ультразвука определяют расстояния между молекулами, следовательно, зависит от агрегатного состояния среды, в которой он распространяется. Ультразвук может возникать как в результате природных процессов, так и генерироваться искусственно.
К естественным источникам ультразвука можно отнести животных, которые его издают. Животные генерируют и воспринимают ультразвук при помощи специальных рецепторных аппаратов. Ультразвук помогает им ориентироваться в пространстве. Ультразвуковые колебания, создаваемые животными, отражаются от предметов и воспринимаются специализированными органами слуха как преграды на пути. Издавать ультразвуки могут так же, например, кузнечики, сверчки, дельфины. Слуховой аппарат некоторых насекомых, птиц и животных способен воспринимать более широкий диапазон колебаний звука, чем у человека.
Так верхние границы звуковых частот воспринимаемых:
- лягушками составляет $\nu =3\cdot {10}^4Гц$;
- собаками$\ \nu =6\cdot {10}^4Гц$;
- кошками $\nu ={10}^5Гц$;
- кузнечиками $\nu ={10}^5Гц$;
- летучими мышами $\nu =1,5\cdot {10}^5Гц$;
- бабочками $\nu =1,6\cdot {10}^5Гц$;
- дельфинами $\nu =2\cdot {10}^5Гц$;
- чайками $\nu =8\cdot {10}^3Гц.$
Генерировать ультразвук может и неживая природа. Он возникает при ветре, ультразвуковые частоты имеются в шуме водопада и звуках моря.
Технические устройства при своей работе способны издавать ультразвук, например, некоторые двигатели и станки.
Ультразвук получают целенаправленно с помощью генераторов ультразвука. Для того чтобы регистрировать и анализировать ультразвук используют пьезоэлектрические или магнитострикционные датчики.
Биологические последствия воздействия волн ультразвука
Биологические эффекты, которые способны вызывать ультразвуковые волны зависят от интенсивности, частоты и длительности воздействия. Если ультразвуковые волны имеют низкую интенсивность и ими облучают биологический объект, то возникает микровибрация на уровне клетки. При этом активизируются транспортные процессы, улучшаются процессы обмена в тканях, достигается положительный эффект. При увеличении интенсивности ультразвуковое давление может вести к повреждению молекул. При длительном воздействии ультразвука, например, на производстве у человека возникает повышенная утомляемость, сонливость, может наступить расстройство нервной системы.
Инфразвук
Инфразвуком называют упругие механические волны, имеющие частоты ниже частот слышимого человеком звука. Верхняя граница инфразвуковых волн 16-25 Гц, верхняя граница не определена.
Инфразвук мало поглощается в разных веществах, поэтому эти волны способны распространяться на большие расстояния.
Источники инфразвука
Инфразвук имеется в шуме атмосферы, деревьев в лесу и воды в море. В коре Земли можно детектировать инфразвуковые частоты от разных источников, например, обвалов, взрывов, работы транспорта.
Так называемый «голос моря» - это волны инфразвука, которые появляются над морской поверхностью, как результат образования вихрей за гребнями волн при сильном ветре. Так как инфразвук мало поглощается, то «голос моря» может распространяться на большие расстояния и достаточно большой скоростью. Это свойство инфразвука служит для предсказания шторма. Некоторые живые организмы способны воспринимать инфразвук. Так медузы имеют «инфа уши», которые слышат инфразвук, имеющий частоту 8-13 Гц. Если шторм находится ещё за сотни километров от берега и приблизится к нему почти через сутки, то медузы его уже слышат и уходят в глубину вод.
Источником инфразвука служат: ураганы, бури и некоторые виды землетрясений. Некоторые животные используют инфразвук при охоте, так считают, что тигр может издавать рев, имеющий частоту 18 Гц. Слоны применяют инфразвук для коммуникаций.
Человек не слышит инфразвук, но эти волны способны вызывать у него беспокойство, страх. Инфразвук может вызывать у человека агрессию.
Некоторые музыкальные инструменты позволяют генерировать инфразвуки. Некоторые музыкальные произведения, состоящие из прерывистых пульсаций, могут вызвать биопсихическую реакцию организма человека, которая может оказать влияние на функции органов человека.
Механизмы, которые работают с частотами меньшими 20$\frac{об}{с},$ генерируют инфразвук. Если автомобиль перемещается со скоростью более 100 $\frac{км}{ч}$, то он источник инфразвука, появляющегося за счет отрыва потока воздуха с его поверхности.
Действие волн инфразвука
Многие процессы, которые происходят в организме человека, находятся в диапазоне частот соответствующем частоте инфразвука, так:
- человеческое сердце сокращается с частотой 1-2 Гц;
- дельта - ритм мозга составляет 0,5-3,5 Гц;
- альфа ритм мозга - 8-13 Гц.
Если колебания инфразвуковой волны совпадает с колебаниями органов человека, то вследствие резонанса, можно получить травму резонирующего органа. От 8 до 15 Гц - это собственная частота колебаний человеческого тела. Можно сказать, что любое движение каждой мышцы создает затухающую микро судорогу тела с этой частотой. Если на тело человека воздействовать инфразвуком и попасть в резонанс, амплитуда микро судорог увеличится в десятки раз.
При частоте инфразвука 7-13 Гц (частота землетрясений и тайфунов, извержения вулканов) животные стараются покинуть очаг стихийного бедствия.
Самым опасным считают инфразвук с частотами 6-9 Гц. Частота инфразвука 7 Гц соответствует колебаниям мозга в состоянии покоя, при таком звуке психотропный эффект максимален, любая умственная нагрузка невозможна, голова разрывается. В середине XX века экспериментально установили, что при частоте инфразвука 6 Гц человек чувствует усталость, затем беспокойство, которое переходит в ужас. При 7 Гц возможно наступление паралича сердца и нервной системы.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Летучая мышь издает ультразвук с частотой ${\nu }_0,$ двигаясь в направлении неподвижного резонатора, который настроен на частоту ${\nu }_r\ (рис.1)$. С какой скоростью двигалась мышь, если созданные ей звуковые волны вызвали колебания резонатора? Температура воздуха $T,\ $молярная масса $\mu $, коэффициент Пуассона - $\gamma $.
Решение. В соответствии с эффектом Доплера частота звука, который будет воспринимать резонатор, равна:
\[\nu =\frac{v'+u}{v'-v}{\nu }_0\left(1.1\right),\]
где ${\nu }_0$ - частота звука, который издает мышь; $v'$ - скорость звука в веществе (в воздухе). Так как резонатор неподвижен, то выражение (1.1) преобразуем к виду:
\[\nu =\frac{v'}{v'-v}{\nu }_0\left(1.2\right),\]
Из формулы (1.2) получим скорость полета мыши:
\[v=v'\left(1-\frac{{\nu }_0}{\nu }\right)\left(1.3\right).\]
Скорость звука найдем, как:
\[v'=\sqrt{\frac{\gamma RT}{\mu }}\left(1.4\right).\]
Для того чтобы волны, которые приходят к резонатору вызывали его колебания их частота должна совпадать с собственной частотой резонатора:
\[\nu ={\nu }_r\left(1.5\right).\]
Учитывая (1.4) и (1.5) выражение (1.3) преобразуем к виду:
\[v=\sqrt{\frac{\gamma RT}{\mu }}\left(1-\frac{{\nu }_0}{{\nu }_r}\right)\ (\frac{м}{с}).\]
Ответ. $v=\sqrt{\frac{\gamma RT}{\mu }}\left(1-\frac{{\nu }_0}{{\nu }_r}\right)\ \frac{м}{с}$
Пример 2
Задание. Почему для коммуникации дельфины применяют ультразвуки с частотой порядка 10-400 Гц, а для звуковой локации используют частоты 750 - $3\cdot {10}^5Гц$?
Решение. Для того чтобы получить большую точность местоположения окружающих объектов следует применять волны, имеющие большие частоты (небольшие длины), так как если размеры предметов больше длины волны, то получается зеркальное отражение волны. С целью осуществления коммуникации целесообразнее использовать длинные волны (низкие частоты), которые слабо затухают при преодолении существенных расстояний.
Читать дальше: формула Максвелла.
Warning: file_put_contents(./students_count.txt): failed to open stream: Permission denied in
/var/www/webmath-q2ws/data/www/webmath.ru/poleznoe/guide_content_banner.php on line
20
Мы помогли уже 4 465 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
