Фронт волны, волновые поверхности (общие понятия)

Упругой волной называется процесс распространения в среде упругих колебаний, причем каждая частица, участвующая в волновом движении, колеблется около положения своего равновесия, передавая свою энергию соседним частицам.

Основное свойство всех волн независимо от природы – перенос энергии в волне осуществляется без переноса вещества. Перенос энергии – принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии. Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения. По этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя».

Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения, т.е. частиц среды. Под частицей среды понимают не отдельную молекулу, а совокупность большого числа молекул, обладающих примерно одинаковыми свойствами (одинаковыми смещениями от своих положений равновесия, одинаковыми скоростями и т.д.). Размеры частиц должны быть достаточно малыми, значительно меньше возмущений, возникающих в среде, в частности, значительно меньше длины волны, распространяющейся в среде. Такие частицы препятствуют различным деформациям и, таким образом, среда проявляет упругие свойства. Молекулярное строение среды при этом не рассматривается, она считается сплошной.

Колебания частиц в зависимости от частоты f разделяют на:

– инфразвуковые – с частотой до 20 Гц;

– звуковые – от 20 Гц до 20 кГц;

– ультразвуковые – от 20 кГц до 1 ГГц;

– гиперзвуковые – от 1 ГГц до 100 ГГц;

– тепловые – свыше 100 ГГц.

Таким образом, звуком называются колебательные движения частиц упругой сре­ды, происходящие с частотой в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Эти частоты считаются соответственно нижним и верхним пределами слышимости звуков в воздухе человеческим ухом, например, писк комара »10 кГц.

Инфразвук– упругие колебания, имеющие частоты ниже слышимых человеком частот. Инфразвук содержится в шуме леса, моря. Источниками инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются инфразвуковые колебания, возбуждаемые самыми разнообразными источниками, в том числе землетрясениями, взрывами, обвалами и даже транспортными средствами. Поскольку инфразвук слабо поглощается в различных средах, он может распространяться на очень большие расстояния в воздухе, воде и земной коре. Это находит практическое применение при определении местоположения эпицентра землетрясения, сильного взрыва или стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказывать стихийные бедствия, например, цунами. Взрывы, порождающие большой спектр инфразвуковых частот, применяются для исследования верхних слоёв атмосферы, свойств водной среды.

Инфразвук не является недавно открытым явлением. В действительности органистам он известен уже более 250 лет. Во многих соборах и церквях есть очень длинные органные трубы, которые издают звук частотой менее 20 Гц, не воспринимаемый человеческим ухом. Но, как выяснили британские исследователи, такой инфразвук может вселить в аудиторию разнообразные и не слишком приятные чувства — тоску, ощущение холода, беспокойство, дрожь в позвоночнике. Люди, подвергшиеся воздействию инфразвука, испытывают примерно те же ощущения, что и при посещении мест, где происходили встречи с призраками.

В конце 60-х гг. ХХ века учеными обнаружено, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5–9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют инфразвуковую частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из этого места. Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Возможно, что оно связано с возбуждением резонансных колебаний в организме. Так, собственная частота нашего вестибулярного аппарата близка к 6 Гц, и многим знакомы неприятные ощущения при длительной езде в автобусе, поезде, при плавании на корабле или качании на качелях. При воздействии инфразвука могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазом, начинает «ломаться» горизонт, возникают проблемы с ориентацией в пространстве, приходят необъяснимые тревога и страх.

Как известно, сильные инфразвуковые колебания вызывают у человека панический страх вместе с желанием вырваться из замкнутого пространства. Очевидно, такое поведение является следствием выработанной ещё в далеком прошлом "инстинктивной" реакции на инфразвук как предвестник землетрясения. Именно эта реакция заставляет экипаж и пассажиров в панике покидать свой корабль. Они могут сесть в шлюпки и уплыть от своего судна или выбежать на палубу и броситься за борт. При очень большой интенсивности инфразвука, они могут и вовсе погибнуть – попадая в резонанс с биоритмами человека, инфразвук особо высокой интенсивности может вызвать мгновенную смерть.

Тигры и слоны используют для коммуникации друг с другом не только рычание, мурлыкание или рев, но также и инфразвук. По мнению учёных, инфразвук позволяет животным поддерживать связь на расстоянии до 8 километров, поскольку распространение инфразвуковых сигналов почти не чувствительно к помехам, вызванным рельефом местности, и мало зависит от погодных и климатических факторов вроде влажности воздуха.

Рисунок 10 – Медуза – приемник инфр-вых сигналов

Медузы слышат инфразвуки с частотой 8–13 Гц. Тело медузы имеет вид колокола или зонта. По краям зонтика – щупальца, вокруг рта на нижней стороне колокола – выросты-ло­пасти (рисунок 10). На краю колокола расположены прими­тивные глаза и органы равновесия – слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть «ухо» ме­дузы. Перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлестывает их. Каждое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар. При этом создается инфразвук, который и улавливает своим купо­лом медуза. Инфразвук как рупором усиливается колоко­лом медузы и передается на «слуховые колбочки». Шторм разыгрывается еще за сотни километров от берега, а ме­дузы уже слышат его. Эти слабые инфразвуки, как пра­вило, не воспринимаются человеком. Медузы прогнози­руют начало шторма, приближение огромных водяных валов, готовых разбить их студенистое тело о камни, примерно за 20 часов и уходят на глубину. На основе этого явления создан электронный автоматический аппарат – предсказатель бурь, работа которого основана на прин­ципе «инфрауха» медузы. Этот прибор за 15 часов до шторма может предупредить капитана корабля о приближающейся буре и даже показать, откуда она надвигается (обычный морской барометр предупреждает о шторме всего лишь за два часа).

Ультразвук – это упругие колебания с частотой от 20 кГц до 1 ГГц. Эти колебания имеют частоты выше слышимых человеком частот. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. В научной литературе, во избежание неопределенности, за пороговое значение частоты ультразвука обычно принимают частоту 20 кГц. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах верхний предел составляет »10⁹ Гц, в жидкостях и твёрдых телах »10¹⁰ Гц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 1 ГГц.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах. При распространении ультразвуковых волн в среде происходит их затухание вследствие поглощения и рассеяния. Хотя физическая природа ультразвука и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами ультразвука и соответственно малыми длинами волн.

Вследствие малости длины волны процесс распространения ультразвуковых волн носит лучевой характер. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия, такой пучок испытывает отражение и преломление. При попадании пучка на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности. Эта особенность ультразвука нашла широкое применение в ультразвуковой диагностике и дефектоскопии.

Отражение и рассеяние ультразвука на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Для фокусировки ультразвука применяют акустические линзы, рефлекторы, излучатели вогнутой формы; размеры этих устройств должны быть много больше длины волны. Фокусировка позволяет не только получать звуковые изображения (акустическая голография), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью ультразвуковых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Мощная ультразвуковая волна способна дробить тела, помещенные в жидкость (кусочки металла превращаются в тонкую взвесь). Ультразвук оказывает сильное биологическое воздействие. Микробы в поле ультразвука погибают. С помощью ультразвука можно стерилизовать молоко и другие продукты.

В жидкостях ультразвуковые волны затухают слабее, чем в воздухе. Поэтому ультразвук применяется в гидроакустике. Наиболее важным прибором в гидроакустике является эхолот, или гидролокатор. Посылая короткие импульсы ультразвуковых волн, можно уловить импульсы, отраженные от дна или других твердых предметов. По времени запаздывания отраженного сигнала можно судить о расстоянии до препятствия. Так измеряют глубину моря, обнаруживают косяки рыб, встречный айсберг или подводную лодку. С помощью эхолота отечественными учеными был открыт подводный хребет в Северном Ледовитом океане.

Разнообразное практическое применение ультразвука различных частотных диапазонов представлено в таблице 1.

 

 

 

В природе ультразвук встречается как в качестве компонента многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира.

Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве. Чрезвычайно совершенные ультразвуковые локаторы имеют дельфины и летучие мыши. Дельфины в мутной воде уверенно ориентируются, посылая ультразвуковые импульсы и улавливая импульсы, отраженные от предметов или добычи. В полной темноте летучие мыши способны летать в комнате, в которой по всевозможным направлениям натянуто множество веревок, не задевая их. Уши с успехом заменяют им глаза. Летучая мышь испускает при этом ртом (кожановые) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием (подковоносые) импульсы ультразвуковых колебаний (рисунок 11). Частота колебаний в импульсе составляет 25–50 кГц. Длительность каждого импульса не превышает 0,015 секунд. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются высокие ультразвуковые помехи. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха, что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Понижая во время полета эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отраженного ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их "слуховых" центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

Рисунок 11 – Ультразвуковой импульс летучей мыши на расстоянии 10 см от ее рта, сфотографированный с экрана осциллографа, частота ультразвука в импульсе 48 кГц

 

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, "сбивающий со следа" летучих мышей, преследующих этих насекомых. Не менее умелые навигаторы – козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки – от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Самый большой подарок природы – это способность гуахаро к эхолокации. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щелкающие звуки, свободно улавливаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 кГц). Каждый щелчок длится одну-две милисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чуткой птицей.

На организм человека ультразвук воздействует главным образом локально, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома. Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. Неблагоприятное влияние ультразвука на организм человека возможно при интенсивности ультразвука больше 10 Вт/см². В случае продолжительного контакта с ультразвуком такой интенсивности указанные расстройства приобретают более стойкий характер. При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции.

В поле ультразвуковых колебаний в живых тканях ультразвук оказывает механическое, термическое, физико-химическое воздействие (микромассаж клеток и тканей). При этом активизируются обменные процессы, повышаются иммунные свойства организма. Ультразвук оказывает выраженное обезболивающее, спазмолитическое, противовоспалительное и общетонизирующее действие, стимулирует крово- и лимфообращение, ускоряет регенеративные процессы. Время воздействия на болевую зону 3–5 мин, а в сумме на несколько зон – не более 12–15 мин на всю процедуру и не более 10–12 процедур раз в 3 месяца. Так как ультразвук полностью отражается от тончайших прослоек воздуха, к телу его подводят через безвоздушные контактные среды.

 

 

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Распространяясь от источника колебаний, волновой процесс охватывает все новые и новые части пространства.

Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом волны. Также можно дать другое определение, фронт волны – это совокупность точек, колеблющихся в одной фазе, до которых в данный момент времени дошел волновой процесс. Фронт волны представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Фронт волны один, и он движется со скоростью волны. Можно сказать, что фронт волны – это самая дальняя от источника колебаний в данный момент времени волновая поверхность (рисунок 12).

Очевидно, что фронт волны является частным случаем волновой поверхности. В случае синусоидальных волн фронт — одна из волновых поверхностей.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Также можно дать другое определение, волновая поверхность – поверхность, проведенная через равновесные положения частиц среды, совершающих колебания в одинаковой фазе. Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. Следовательно, волновых поверхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой фронт каждый момент времени только один.

Таким образом, волновые поверхности остаются неподвижными, а волновой фронт все время перемещается. Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. Соответственно волна в этих случаях называется плоской или сферической (излучаемой точечным источником в изотропной среде, причем размер излучателя меньше длины волны). Линия, перпендикулярная волновой поверхности называется лучом. Луч указывает направление распространения волны.

Рисунок 12 – Волновые фронт и поверхности

Волновым пучком называется пространственный объем, в котором сосредоточена большая часть акустической энергии.