§ 4.15. Инфразвук и ультразвук

Определения и обозначения

Инфразвук — упругие колебания и волны с частотой ниже примерно 20 Гц, лежащие ниже диапазона слышимости человека. Упругими называют колебания частиц вещества, которые возникают при деформации среды и передаются от частицы к частице. Это понятие позволяет отличать низкочастотные звуковые волны от обычного слышимого звука и описывать их через частоту.

Ультразвук — упругие колебания и волны с частотой выше примерно 20 кГц, лежащие выше диапазона слышимости человека. Частота показывает, сколько колебаний происходит за секунду; 1 кГц равен 1000 Гц. Зная, что волна ультразвуковая, можно объяснить, почему ухо её не воспринимает, и выбрать приборы для её получения и измерения.

Ультразвуковая дефектоскопия — обнаружение внутренних дефектов материала по отражению и прохождению ультразвука. Если волна встречает трещину или границу между разными участками вещества, часть энергии может отразиться и вернуться к приёмнику. По таким сигналам проверяют материал, не разрезая и не разрушая изделие.

Как это устроено

Инфразвук и ультразвук относятся к звуковым волнам, потому что представляют собой механические колебания частиц среды. Разница между ними определяется частотой относительно примерных границ человеческого слуха: ниже около 20 Гц говорят об инфразвуке, выше около 20 кГц — об ультразвуке. Между этими областями расположен слышимый диапазон, хотя его границы индивидуальны. Следовательно, «неслышимый» не означает «не являющийся звуком»: просто ухо не воспринимает колебания такой частоты.

Инфразвуковые колебания возникают при медленных изменениях давления и движении больших масс вещества. Их могут создавать природные процессы, например землетрясения и штормы, а также крупные установки и машины. Ультразвук обычно получают специальным излучателем, который заставляет среду быстро колебаться. В пьезоэлектрическом излучателе электрическое напряжение вызывает деформацию материала, и его быстрые колебания порождают ультразвуковую волну.

Длинная волна инфразвука сравнительно хорошо огибает препятствия, а ослабление колебаний в некоторых условиях невелико; поэтому инфразвук может распространяться на большие расстояния. Ультразвук имеет малую длину волны, и в подходящих средах его можно направить узким пучком. На границах сред или неоднородностях часть ультразвуковой энергии отражается, а часть проходит дальше. Эти особенности делают возможными и дальнее обнаружение инфразвуковых событий, и получение ультразвуковых изображений или сигналов об отражателях.

Неслышимые волны нельзя надёжно оценить на слух, поэтому используют приборы-преобразователи. Датчик принимает механические колебания и превращает их, например, в электрический сигнал, который можно измерить и показать на экране. Чтобы связать сигнал с конкретной частотой или расстоянием до отражателя, прибор калибруют и учитывают свойства среды. Так колебания, невоспринимаемые ухом, становятся доступными для наблюдения и расчётов.

Ультразвуком исследуют ткани тела, измеряют расстояние до объектов при эхолокации и проверяют изделия на внутренние дефекты. В медицине прибор посылает импульсы и принимает отражения от границ тканей; по ним строят изображение. В дефектоскопии отражённый сигнал указывает на неоднородность внутри материала, а в эхолокации время возврата помогает оценить расстояние. Инфразвук применяют при исследовании природных явлений и при контроле низкочастотных колебаний установок, поскольку его распространение позволяет обнаруживать удалённые источники.

Сравнение инфразвука и ультразвука

Сначала сравните частоту волны с ориентировочными границами слуха, а затем — её распространение и возможные источники. Таблица также показывает, что неслышимые волны можно регистрировать приборами и применять на практике. Для расчётов важно учитывать среду: скорость звука и характер отражения в ней могут различаться.

Разбор задач

Задача 1. Частота колебаний равна 12 Гц. Определите, относится ли звук к инфразвуку, слышимому звуку или ультразвуку. Чтобы выбрать категорию, достаточно сравнить частоту с примерной нижней границей слышимости. Частота дана в герцах, поэтому перевод единиц не требуется.

1. Ориентировочная граница между инфразвуком и слышимым звуком — 20 Гц.
2. Сравним: 12 Гц < 20 Гц.
3. Значит, колебания относятся к области инфразвука, а не к слышимому диапазону или ультразвуку.

Ответ: инфразвук. Граница около 20 Гц приблизительна, но в этой задаче частота достаточно явно ниже неё.

Задача 2. Ультразвуковая волна частотой 40 кГц распространяется в воде со скоростью 1500 м/с. Найдите её длину волны. Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за один период. Связь скорости, длины волны и частоты записывается как v = λf.

1. Переведём частоту в герцы: f = 40 кГц = 40 000 Гц.
2. Выразим длину волны: λ = v/f.
3. Подставим значения: λ = 1500 м/с ÷ 40 000 Гц = 0,0375 м.
4. При желании переведём в сантиметры: 0,0375 м = 3,75 см.

Ответ: длина волны равна 0,0375 м, или 3,75 см. Проверка единиц помогает заметить, что скорость, делённая на частоту, даёт метры.

Задача 3. При ультразвуковом исследовании отражённый сигнал вернулся через 80 мкс. Скорость ультразвука в ткани равна 1500 м/с. Оцените глубину отражающей границы. Отсчёт времени начинается при отправке импульса и заканчивается при его возвращении к датчику, поэтому сигнал проходит двойное расстояние.

1. Переведём время в секунды: t = 80 мкс = 80 · 10⁻⁶ с = 0,000080 с.
2. За это время сигнал проходит путь туда и обратно: s = vt = 1500 · 0,000080 = 0,12 м.
3. Глубина равна половине полного пути: h = s/2 = 0,06 м.
4. Переведём результат: 0,06 м = 6 см.

Ответ: отражающая граница находится примерно на глубине 6 см. Такое вычисление предполагает, что скорость ультразвука в ткани известна и примерно постоянна на всём пути.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать границы 20 Гц и 20 кГц абсолютно точными для каждого человека. Их часто запоминают как строгие числа, хотя слух зависит от возраста и индивидуальных особенностей. Проверка: формулируйте эти значения как приблизительные и учитывайте, что реальный диапазон может отличаться.

Вторая ошибка — называть инфразвук и ультразвук электромагнитными волнами. Их путают с радиоволнами или светом, потому что и те и другие могут быть неслышимы. Но звук переносится механическими колебаниями частиц и не распространяется в вакууме; проверяйте, требуется ли волне материальная среда.

Третья ошибка — подставлять частоту в килогерцах без перевода в герцы. Тогда в формуле λ = v/f смешиваются единицы, и результат длины волны оказывается неверным в тысячу раз. Перед вычислением проверьте, что 1 кГц = 1000 Гц и скорость выражена в метрах в секунду.

Четвёртая ошибка — не делить путь эха на два при поиске глубины. Измеренное время относится к движению импульса до отражающей границы и обратно, а не только в одну сторону. Проверьте схему движения: если прибор принял сигнал там же, где отправил, используйте h = vt/2.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия механической волны, частоты, периода, скорости и длины волны. Связь v = λf помогает находить неизвестную величину, если известны две другие, а знания об отражении волн объясняют появление эха. Поэтому инфразвук и ультразвук продолжают изучение распространения звука и подготавливают к акустике и волновым методам исследования.

Применение ультразвука связывает физику с медицинской диагностикой и техническим контролем материалов. В обоих случаях прибор посылает волну и анализирует сигнал, изменившийся после взаимодействия с объектом. Понимание отражения помогает объяснить, как получают сведения о тканях или внутренних дефектах без прямого доступа к ним.

Что запомнить

• Инфразвук имеет частоту ниже примерно 20 Гц.
• Ультразвук имеет частоту выше примерно 20 кГц.
• Инфразвук и ультразвук — механические волны.
• Для звуковой волны выполняется соотношение v = λf.
• Человек обычно не слышит инфразвук и ультразвук, но их можно регистрировать приборами.
• Отражение ультразвука используют для исследования внутренних границ и дефектов.