1.Звукові й ультразвукові коливання та їх застосування

Звукові явища виникають через механічні коливання різних тіл. Проте не будь-які механічні коливання створюють звук і не за будь-яких умов. Розглядаючи коливання маятника, можна помітити, що звукові коливання у цьому разі не виникають, хоч амплітуда таких коливань може бути й досить великою. Отже, амплітуда не є тією основною характеристикою, за якою відрізняють звукові коливання від просто механічних.

Дослідимо коливання генератора, одночасно подаючи їх на гучномовець і на вхід електронного осцилографа (мал. 2.25). Гучномовець перетворює електричні коливання генератора Г на механічні коливання дифузора Д, які надають коливального руху частинкам повітря — у навколишньому просторі поширюється поздовжня хвиля. Ця хвиля досягає органів слуху людини (чи інших приймачів), викликаючи коливання барабанної перетинки. Проте звук ми чуємо не завжди.

Звукові коливання. Почнемо дослідження коливань із невеликих частот — кількох коливань за секунду (мал. 2.26, а). На екрані осцилографа спостерігаємо графік, дифузор гучномовця коливається, але звуку ми не чуємо. Поступово збільшуватимемо частоту коливань. За певної частоти з'являється звук. Людина починає його чути лише тоді, коли частота коливань досягає значень 16—20 Гц. Коливання з меншими частотами називають інфразвуковими. Продовжуватимемо поступово збільшувати частоту коливань. У цьому разі змінюватиметься фізіологічна характеристика звуку, яку називають висотою тону. Отже, фізичній характеристиці звуку — частоті — відповідає фізіологічна характеристика — висота тону. На мал. 2.26, б, в наведено графіки звуків різної висоти тону. Частота звуку на мал. 2.26, в більша, а отже, і вищий тон звуку.

Ультразвуки. Якщо поступово збільшувати частоту коливань, то висота тону зростатиме. З досягненням певної частоти ми вже не чутимемо звуку, хоча коливання й досягають наших органів слуху. Людина перестає чути звуки, якщо частота їх перевищує 20 000 Гц. Для різних людей ця межа може бути різною. Коливання, частота яких перевищує 20 кГц, називають ультразвуковими. Отже, звуковими є коливання, частота яких знаходиться у межах 16—20 Гц — 20 кГц.

Деякі тварини, наприклад собаки і кажани, чують ультразвуки. Цю властивість використовують під час дресирування собак, а кажанам вона дає змогу  орієнтуватися в просторі. Не слід думати, що звуки можуть утворюватися лише у разі коливання твердих тіл: ніжок камертона, дифузора гучномовця, струни тощо (мал. 2.27).

Досить сильні звуки можна одержати і під час коливання повітря. Візьміть невеличку трубку, закрийте один з її отворів і подміть біля другого отвору. Матимете свищик, який дає звук певної висоти тону. Якщо хочете змінити висоту тону звуку, вставте у трубку поршень. Тепер можна змінювати висоту стовпчика повітря в трубці й одержувати звук різної висоти тону. Встановіть залежність висоти тону звуку від висоти стовпчика повітря. Так можна одержувати не лише звукові, а й інфра- та ультразвукові коливання, що й застосовують іноді в техніці. Скориставшись генератором, гучномовцем і осцилографом, встановимо, від чого залежить гучність звуку. Якщо амплітуда коливань невелика (мал. 2.28, а), то й гучність звуку мала. Зі збільшенням амплітуди коливань (мал. 2.28, б, в) зростатиме й гучність звуку.

Проте коли амплітуда коливань мала, то звуку можемо й не почути через недостатню чутливість органів слуху. Існує певний поріг чутності. Коли ж амплітуда звукових коливань велика, то звуки викликають больові відчуття.

Складні звуки. Досі ми розглядали лише прості звуки, тобто такі, які нам дають гармонічні коливання. Проте більшість звуків у природі є складними. Складний звук можна розкласти на ту чи іншу кількість простих звуків. Основним тоном складного звуку вважають найнижчий, який має найменшу частоту коливань. Складний звук має такий самий період коливань, як і основний тон. Інші прості тони, що входять до складного звуку і мають частоти, більші від частоти основного тону (в ціле число разів), називають вищими гармонічними тонами, або обертонами. Кількість і амплітуди вищих гармонічних тонів утворюють специфічне «забарвлення» звуку, яке характеризують поняттям тембр звуку.

Звук у повітрі є повздовжньою звуковою хвилею, що поширюється зі швидкістю 332 ^м_с при температурі повітря 0°С Звук у твердих тілах поширюється зі швидкостями: у сталі

5100 ^мс; граніті 3950 ^мс; дереві 4000 ^мс. Швидкість поширення звуку у воді (0°С) 1485 ^мс; у водні — (0°С) — 1286 ^мс; вуглекислому газі (0°С) — 258 ^мс .

При додаванні звукових коливань із близькими частотами спостерігається явище биття, природу якого ми вже розглянули. Це явище проявляється в періодичному посиленні й послабленні звуку. Явище биття використовують під час настроювання музичних інструментів. За його відсутності роблять висновок про збіг частоти коливань інструмента з частотою коливань еталонного джерела звуку, наприклад камертона. Під час сприймання складних звуків одні з них створюють приємне відчуття (консонанс), а інші — неприємне (дисонанс). У перекладі з французької мови слово консонанс означає співзвуччя, а дисонанс — різнозвуччя. Дисонанс зумовлений наявністю биття між основними тонами співзвуччя та їх обертонами, а консонанс — незначним биттям або його відсутністю. Дисонанс настає, коли частота биття перевищує 16—20 Гц. Найрізкіший дисонанс має місце за частоти биття близько 33 Гц. Якщо частота биття перевищує 130 Гц, то людське вухо його вже не відчуває.

Луна. Звукові та ультразвукові хвилі у будь-яких середовищах поширюються з різними швидкостями і можуть відбиватися від різних перепон (луна) (мал. 2.29). Відбивання звукових та ультразвукових хвиль використовується в  техніці. Це явище можна спостерігати і в живій природі.

Застосування ультразвуків. Значення звукових коливань у житті людини загальновідоме. Не менш важливу роль відіграють у сучасній техніці та наукових дослідженнях й ультразвукові коливання. Так, з 1964 р. ультразвукові методи почали широко застосовувати в хірургії, коли співробітники Центрального інституту підвищення кваліфікації лікарів і Московського вищого технічного училища ім. Баумана (Г. Ніколаєв, В. Лощилов, Г. Чем'янов, В. Поляков) виявили, що за допомогою ультразвукових коливань можна розрізати і з'єднувати кісткові тканини. Для різання м'яких тканин використовуються плоскі «ножі», для розрізання кісток — хвилеводи з насічкою у робочій частині. Частота коливань пилки хвилеводу 20—50 кГц. Під час роботи зубці пилки здійснюють коливання з амплітудою 80 мкм, щоразу вибираючи часточки кістки. Пристрій працює м'яко, що особливо важливо під час виконання операцій. За допомогою ультразвуку можна також зварювати частини кістки, з'єднувати їх із кістковою тканиною. Як припій у цьому разі використовують рідкі пластмаси, що не мають шкідливої дії на живі тканини і розсмоктуються (наприклад, ціакрин). Розрізування м'яких тканин і кісток триває не більше 4 хв, а зварювання — всього 1,5— 2 хв. Ультразвукові коливання швидко поглинаються і не чинять шкідливої дії на організм людини. Рани після таких операцій загоюються добре. Жодних шкідливих наслідків після операції не спостерігається. Медики, біологи, інженери продовжують досліджувати і вдосконалювати ультразвукові методи в хірургії. Ультразвуки ефективно можна використовувати у хірургії. Ультразвукові коливання одержують і за допомогою магнітострикційного вібратора. Явище магнітострикції (мал. 2.30)

полягає в тому, що розміри феромагнітних тіл під час намагнічування й розмагнічування змінюються. Таке явище ви можете спостерігати, коли послухаєте, як «гудуть» трансформатори. Частота коливань змінного струму, що подається до трансформаторів, становить 50 Гц, а частота їхнього «гудіння» — 100 Гц. У багатьох випадках для одержання ультразвукових коливань використовують явище електрострикції (мал. 2.31). Це явище можна спостерігати в таких речовинах, як кварц, титанат барію та ін. Якщо із кристала кварцу вирізати пластинку і за допомогою електродів подати до неї різницю потенціалів, то пластинка ставатиме тоншою або товщою, залежно від напрямку напруженості прикладеного електричного поля. Якщо до такої пластинки подати змінну напругу ультразвукової частоти, то вона здійснюватиме ультразвукові коливання і випромінюватиме ультразвуки. За допомогою такої пластинки можна приймати звукові й ультразвукові коливання. У цьому разі спостерігається зворотне до електрострикції явище — так званий п'єзоелектричний ефект. Якщо пластинку стискувати або розтягувати, то на її гранях виникатиме напруга. Так, за допомогою п'єзоефекту перетворюють механічні коливання на електричні, які потім можна підсилювати й досліджувати. Такі перетворювачі встановлюють в електропрогравачах, де механічні коливання голки перетворюються на електричні саме внаслідок п'єзоелектричного ефекту. За допомогою ультразвуку досить легко обробляються тверді матеріали, навіть алмаз. Магнітострикційний вібратор змушує коливатися частинки абразивного порошку, змішаного з рідиною. Ці частинки й обробляють тверду деталь, наприклад, роблять отвори складної конфігурації, утворюють рельєфні зображення.

Ультразвукові хвилі, поширюючись у пружному середовищі, відбиваються від різних перешкод. Відбиті коливання можна прийняти. За допомогою п'єзоелектричної пластинки можна приймати звукові та ультразвукові коливання. За п'єзоелектричного ефекту механічні коливання перетворюються на електричні в певному середовищі, досить просто визначити відстань до перешкоди. На цьому принципі грунтується дія ехолота, який уперше був сконструйований у 1918 р. П. Ланжевеном. На судні встановлюють ультразвуковий випромінювач, що посилає в певному напрямку імпульси ультразвукових коливань (мал. 2.32). Відбиті хвилі приймаються і підсилюються. Самопис автоматично наносить на паперову стрічку рельєф дна. Якщо на шляху поширення ультразвуку виявиться косяк риби, то ультразвук відіб'ється й від нього, і це можна відразу виявити. Аналогічно працюють і ультразвукові дефектоскопи — прилади для перевірки якості різноманітних деталей, наприклад після зварювання. Якщо в деталі є тріщини, раковини тощо, то в цьому місці ультразвук відіб'ється, що й фіксується електронним осцилографом чи іншими засобами. У техніці застосовуються різні типи дефектоскопів. Ультразвук широко використовують і в технологічних процесах, наприклад під час виготовлення емульсій. За звичайних умов важко змішати ртуть і воду або олію й воду, а під дією ультразвукових коливань таке змішування здійснюється швидко й надійно.

Досить широко використовують також ультразвукові вимірювальні прилади: для визначення в'язкості рідин (акустичні віскозиметри), витрати рідин у трубопроводах тощо. Під дією інтенсивних ультразвукових коливань значно прискорюється перебіг деяких хімічних реакцій, що також застосовують у техніці. Ультразвук став надійним помічником людини вже сьогодні, але дослідження можливостей його застосування тривають.Ультразвук широко застосовують у технологічних процессах. Інфразвукові коливання можуть справляти шкідливий вплив на організм людини. Хоч людина почала вивчати коливання досить давно, проте є такі галузі коливань, які ретельно досліджують лише останнім часом. Насамперед це стосується інфразвукових коливань, шкідливий вплив яких на людський організм виявили французькі вчені. Вони довели, що інфразвуки достатньої потужності з частотами 6—9 Гц можуть бути для людини навіть смертельними, оскільки внутрішні органи мають власні частоти коливань саме 6—9 Гц. Унаслідок дії на людину інфразвуку з відповідною частотою виникає резонанс, що може призвести до смерті. Дія на організм людини коливань різної природи і частоти вивчена ще недостатньо. Та й у техніці існує чимало проблем, пов'язаних із застосуванням коливань, а також з усуненням їхніх шкідливих проявів.