§ 27. Инфразвук и ультразвук

Определения и обозначения

Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже нижней границы слышимости человека, то есть примерно ниже 20 Гц. Такие колебания происходят медленнее, чем те, которые обычно воспринимает наше ухо. Знать эту границу нужно, чтобы отличать инфразвук от тихого, но слышимого звука.

Ультразвук — звуковые колебания с частотой выше верхней границы слышимости человека, примерно выше 20 кГц, или 20 000 Гц. Это очень быстрые колебания, которые человеческое ухо не воспринимает. Понятие помогает описывать волны, используемые в эхолокации и работе приборов.

Диапазон слышимости человека — область частот, воспринимаемых ухом как звук; обычно его указывают примерно от 20 Гц до 20 кГц. Эти границы не абсолютно одинаковы у всех людей и могут меняться с возрастом. Они нужны как ориентир для разделения слышимого звука и звуков за пределами слуха.

Частота звуковых колебаний — величина, показывающая, сколько колебаний происходит за одну секунду; её измеряют в герцах (Гц). Именно частота, а не громкость, определяет, относится звук к инфразвуку, слышимому диапазону или ультразвуку. Поэтому для классификации колебаний нужно сравнить их частоту с границами слуха.

Как это устроено

Границы между инфразвуком, слышимым звуком и ультразвуком задаются частотой, потому что ухо человека реагирует на определённый темп колебаний. Внутри этого диапазона колебания могут возбуждать слуховые рецепторы, а за его пределами рецепторы не воспринимают их как звук. Громкость влияет на силу ощущения, но не изменяет частоту колебаний источника. Поэтому очень громкий инфразвук не становится слышимым только из-за своей громкости.

Частота волны определяется тем, как часто колеблется её источник. Если источник движется туда и обратно медленно, он создаёт редкие колебания — при частоте ниже 20 Гц возникает инфразвук. Быстрые колебания создают волны высокой частоты, и выше примерно 20 кГц получается ультразвук. Так один и тот же принцип колебаний даёт волны разных частот.

Человек не слышит инфразвук и ультразвук, потому что его слуховой аппарат настроен на ограниченный диапазон частот. Но отсутствие слухового ощущения не означает, что волны исчезают: колеблющийся источник передаёт возмущение частицам среды, и оно распространяется дальше. Для распространения нужен материал, например воздух, вода или твёрдое тело. В вакууме звук, в том числе ультразвук, распространяться не может.

Инфразвук появляется при природных процессах, например при грозах, землетрясениях и сильном ветре, а также при работе крупных механизмов. Ультразвук создают специальные преобразователи, которые быстро колеблются и передают колебания окружающей среде. Некоторые животные, например летучие мыши и дельфины, сами издают ультразвуковые сигналы. Их слух тоже может воспринимать частоты, недоступные человеку.

Ультразвуковая волна отражается от границы сред или препятствия, если встречает участок, от которого часть её энергии возвращается. Прибор принимает отражённый сигнал и по времени его возвращения оценивает расстояние до объекта; такой принцип называют эхолокацией. В медицине отражения от внутренних границ тела помогают получить изображение его структур. В дефектоскопии по отражённым сигналам ищут трещины и другие неоднородности внутри деталей.

Сравнение инфразвука, слышимого звука и ультразвука

Сначала сравните частоту с границами около 20 Гц и 20 кГц — так определяется звуковая область. Затем можно сопоставить источники и способы применения: одна и та же волна не обязательно слышна человеку, чтобы быть полезной прибору. Сведения о воздействии нельзя применять без учёта интенсивности и условий.

Разбор задач

1. Определяем вид звука по частоте

Условие: распределить колебания частотой 10 Гц, 500 Гц и 30 кГц на инфразвук, слышимый звук и ультразвук. Чтобы решить задачу, не нужно знать громкость источника или материал, в котором идёт волна. Достаточно сравнить каждое значение с примерными границами слышимости.

1. Частота 10 Гц меньше 20 Гц. Значит, это инфразвук.
2. Частота 500 Гц находится между 20 Гц и 20 кГц. Это слышимый звук.
3. 30 кГц — это 30 000 Гц, что больше 20 000 Гц. Следовательно, это ультразвук.

Ответ: 10 Гц — инфразвук; 500 Гц — слышимый звук; 30 кГц — ультразвук. При проверке полезно перевести килогерцы в герцы или привести обе величины к одинаковым единицам. Решение не зависит от того, тихий источник или громкий.

2. Находим длину ультразвуковой волны

Условие: частота ультразвука в воздухе равна 40 кГц, скорость звука — 340 м/с. Нужно найти длину волны λ. Используем связь скорости, длины волны и частоты: λ = v/ν, где v — скорость, а ν — частота.

1. Переведём частоту в герцы: 40 кГц = 40 000 Гц. Это важно, чтобы единицы в формуле соответствовали друг другу.
2. Подставим данные: λ = 340 м/с ÷ 40 000 Гц. Поскольку 1 Гц равен 1/с, результат получится в метрах.
3. Вычислим: λ = 0,0085 м. Умножив на 100, получим 0,85 см.

Ответ: длина волны равна 0,0085 м, или 0,85 см. Проверка здравого смысла: при одной и той же скорости большая частота означает меньшую длину волны. Ультразвук имеет высокую частоту, поэтому его волна короткая.

3. Определяем глубину по сигналу эхолота

Условие: эхолот послал ультразвуковой импульс и получил отражение через 0,20 с; скорость звука в воде равна 1500 м/с. Требуется определить глубину водоёма. Время указано для всего пути импульса — от эхолота до дна и обратно.

1. Сначала найдём полный путь сигнала: s = vt = 1500 м/с · 0,20 с = 300 м. Здесь скорость умножаем на время, за которое прошёл этот путь.
2. Путь до дна вдвое короче полного, потому что сигнал возвращается тем же маршрутом. Поэтому глубина h = s/2 = 300 м/2.
3. Получаем h = 150 м. Деление на два необходимо именно потому, что эхолот измеряет время движения туда и обратно.

Ответ: глубина водоёма равна 150 м. Для проверки можно умножить путь до дна и обратно: 150 м + 150 м = 300 м, а 300 м при скорости 1500 м/с проходят за 0,20 с. Если принять полный путь за глубину, результат окажется вдвое больше правильного.

Типичные ошибки

Ошибка: считать инфразвук и ультразвук отдельными веществами или средами. Так могут думать, потому что названия звучат как обозначения разных видов материи, но речь идёт о частотах колебаний. Проверка: спросите себя, изменилось ли вещество или только темп колебаний источника.

Ошибка: путать громкость и частоту. Громкость связывают прежде всего с амплитудой колебаний, а границы инфразвука и ультразвука задаются частотой; путаница возникает потому, что громкий звук кажется «сильнее». Проверка: для определения области сравнивайте число герц с 20 Гц и 20 кГц, а не оценивайте громкость.

Ошибка: утверждать, что ультразвук не распространяется в воздухе, раз человек его не слышит. Слуховое восприятие и распространение волны — разные явления: воздух может передавать колебания, даже если ухо их не воспринимает. Проверка: вспомните, что ультразвуковые приборы работают в разных средах, в том числе в воздухе, хотя распространение зависит от условий.

Ошибка: при вычислении расстояния по возвращению сигнала забывать о пути туда и обратно. Такое случается, если время сразу связывают с расстоянием до преграды, хотя оно относится ко всему пути волны. Проверка: нарисуйте маршрут из двух отрезков и разделите полный путь vt на два, если сигнал вернулся тем же путём.

Связь с другими темами

Для изучения инфра- и ультразвука нужно знать частоту, период, длину волны и скорость её распространения. Эти величины связаны формулой λ = v/ν, а частота и период — обратной зависимостью. Тема продолжает изучение колебаний и волн и опирается на свойства отражения звука и эха.

Практические применения связаны с эхолокацией, медицинской диагностикой, дефектоскопией и обнаружением объектов. Во всех этих случаях прибор посылает волну и исследует сигнал, вернувшийся от границы или препятствия. Знание скорости волны позволяет по времени возвращения оценить расстояние или глубину.

Что запомнить

• Инфразвук имеет частоту ниже 20 Гц.
• Ультразвук имеет частоту выше 20 кГц.
• Диапазон слышимости человека приблизительно составляет от 20 Гц до 20 кГц.
• Человек может не слышать звук, но это не означает, что звуковые колебания отсутствуют.
• Источниками инфразвука могут быть природные явления и мощные механические установки.
• Ультразвук используют для эхолокации, диагностики и обнаружения внутренних дефектов.
• При распространении ультразвук может отражаться от границ сред и препятствий.