Частная школа. 9 класс

Конспект по физике для 9 класса «Ультразвук и инфразвук в природе и технике». ВЫ УЗНАЕТЕ: Где в природе встречаются ультразвуки и инфразвуки. Где используется ультразвук и инфразвук.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

---

Ультразвук и инфразвук в природе и технике.

Обновлено 22 января 2025 года 21:00

1) УЛЬТРАЗВУК И ИНФРАЗВУК.

Мы не слышим колебаний обычного пружинного маятника. В опыте с колеблющейся металлической линейкой, зажатой в тисках, наличие или отсутствие звука зависит от её длины. Всё дело в частоте колебаний, которой характеризуется колебательная система.

• Колебания с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком.
• Колебания с частотой более 20 кГц называются ультразвуком.

Инфразвук и ультразвук не воспринимаются человеческим ухом. Представители живой природы способны на это. Так. учёные обнаружили, что медузы и рыбы воспринимают инфразвуковые волны в диапазоне частот от 8 до 13 Гц. Многие животные, например кошки, собаки, муравьи и летучие мыши, могут издавать и воспринимать ультразвуки. Ультразвуки самых высоких частот способны издавать и воспринимать дельфины. Частота этих ультразвуков может достигать 200 кГц. Ультразвук и инфразвук играют существенную роль в живой природе и в технике, а также оказывают влияние на человеческий организм.

2) ИНФРАЗВУК В ПРИРОДЕ

Инфразвук (звуковые волны с частотой ниже порога восприятия человеческим ухом, то есть менее 20 Гц) распространён в природе. Такие ультранизкие колебания создаются как природными, так и искусственными источниками.

Источники

Некоторые природные источники инфразвука:

• Землетрясения, удары молний.
• Сильный ветер (инфразвуковой аэродинамический шум).
• Буря и ураганы. В последнем случае регистрация инфразвука, в том числе нарастание инфразвукового фона, — признак приближения шторма.
• Море в результате периодических сжатий и разрежений воды (инфразвук называют «голос моря»).
• Мигрирующие птицы — возможно, используют естественно генерируемый инфразвук из турбулентного воздушного потока над горными хребтами в качестве вспомогательного средства навигации

Распространение инфразвука

Инфразвуковые волны обладают низкой частотой и большой длиной волны — от десятков метров до сотен километров. Это позволяет им распространяться на значительные расстояния с минимальными потерями энергии. Некоторые особенности распространения инфразвука:

• В атмосфере — волны могут распространяться на сотни километров, взаимодействуя с погодными структурами, или на несколько тысяч километров — через стратосферный канал.
• В воде — морская поверхность отражает инфразвук с меньшими потерями по сравнению с сушей, что делает инфразвук, распространяющийся над океанами, более дальнобойным.
• В глобальном масштабе — зарегистрированы случаи, когда волны от мощных взрывов (например, извержения вулкана Кракатау в 1883 году или извержения Хунга-Тонга в 2022 году) обходили земной шар несколько раз, при этом регистрировались инфразвуковыми станциями на разных континентах.

Влияние инфразвука на живых существ

Некоторые живые организмы способны воспринимать инфразвук. Например:

• Медузы — на краю «колокола» у них расположены примитивные слуховые колбочки, способные воспринимать инфразвуки с частотой 8–13 Гц. Они слышат шторм за сотни километров и за 20 часов до того, как он достигнет этой местности, и уходят на глубину.
• Некоторые животные используют инфразвук для общения на огромные расстояния — иногда до тысяч километров. Например, слоны и киты.
• Некоторые животные используют инфразвук как оружие: например, тигры перед атакой рычат на частоте 18 Гц, что приводит в состояние ступора копытных, на которых они охотятся.

Влияние инфразвука на человека.

При больших амплитудах инфразвук ощущается как боль в ухе. В конце 60-х гг. XX в. французский исследователь Тавро обнаружил, что инфразвук определённых частот может вызвать у человека тревожность и беспокойство, головные боли, снижение внимания и работоспособности и даже иногда нарушение равновесия.

Возбуждающее действие рок-музыки объясняется резонансным влиянием на организм звуков низких частот.

Все механизмы, которые работают при частотах вращения менее 20 оборотов в секунду, излучают инфразвук. В машиностроительной отрасли инфразвук возникает при работе вентиляторов, компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, дизельных двигателей. Поэтому очень важно соблюдение техники безопасности.

Применение инфразвука

Свойства инфразвука используются в различных научных и прикладных задачах. Например:

• Предсказание природных катастроф — инфразвук может служить предвестником землетрясений, цунами и других событий.
• Изучение атмосферы и океана — инфразвук может быть использован для исследования верхних слоёв атмосферы и свойств водной среды.
• Контроль и мониторинг состояния окружающей среды — инфразвук может быть использован для обнаружения утечек газа или загрязнения воздуха.

3) ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФРАЗВУКА В ТЕХНИКЕ

В промышленности

• Интенсификация технологических процессов в жидких средах с помощью инфразвуковых аппаратов. Колебания создаются непосредственно в обрабатываемой среде с помощью гибких излучателей или жёстких металлических поршней. Это ускоряет процессы перемешивания, фильтрования, растворения и диспергирования твёрдых материалов в жидкостях, разделения, классификации и обезвоживания суспензий, а также очистку деталей и механизмов.
• Перемешивание суспензий с помощью трубных инфразвуковых аппаратов.
• Ситовое разделение и сгущение суспензий из тонкоизмельчённых материалов с помощью классификаторов-сгустителей, которые обрабатывают суспензию инфразвуковыми колебаниями.

Применение инфразвука позволяет снизить энерго- и металлоёмкость аппаратов, а также обрабатывать жидкости непосредственно в потоке при транспортировании их по трубопроводам.

В медицине

Инфразвуковая терапия — неинвазивный метод физиотерапии и медицинской реабилитации. Инфразвук воздействует на глубокие структуры тканей и органов, например:

• На нервную систему — модулирует активность центральной и вегетативной нервной системы.
• На сердечно-сосудистую систему — способствует расширению сосудов, улучшению микроциркуляции и венозного оттока.
• На опорно-двигательный аппарат — снижает мышечный спазм, уменьшает болевой синдром и способствует восстановлению подвижности суставов за счёт улучшения кровоснабжения и лимфодренажа.

Положительный эффект инфразвука достигается при строгом контроле параметров воздействия — превышение допустимых уровней может приводить к утомлению и дискомфорту.

В военной сфере

Разработка инфразвукового оружия — оружия, которое использует в качестве поражающего средства достаточно сильный инфразвук. В зависимости от силы инфразвукового воздействия результаты могут быть от возникновения у объекта чувства страха, ужаса или паники до соматических расстройств (от расстройств зрения до повреждения внутренних органов).

Однако применение инфразвука в военной сфере вызывает множество правовых и этических вопросов. Распространение инфразвука сложно контролировать, что может привести к непредсказуемым последствиям и воздействию на нецелевые объекты.

В экологии

• Контроль и мониторинг состояния окружающей среды — инфразвук может быть использован для обнаружения утечек газа или загрязнения воздуха.
• Исследование верхних слоёв атмосферы и свойств водной среды — звуковые волны, содержащие большое количество инфразвуковых частот, могут предоставить ценную информацию о состоянии атмосферы и океана.
• Предсказание природных катастроф — инфразвук может использоваться для предсказания землетрясений, цунами и других природных катастроф благодаря способности инфразвука распространяться на большие расстояния и служить предвестником этих событий.

---

 

4) УЛЬТРАЗВУК В ПРИРОДЕ

Ультразвук (упругие колебания с частотой выше воспринимаемых человеческим ухом) распространён в природе. Он встречается как в качестве компонента многих естественных шумов, так и среди звуков животного мира.

Источники ультразвука:

• Естественные шумы. Ультразвук присутствует в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды.
• Звуки животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения. Например:
  • Летучие мыши — испускают сигналы высокой интенсивности для ночного ориентирования (эхолокация).
  • Киты и дельфины — генерируют ультразвуковые сигналы для охоты, ориентации в мутной воде.
  • Некоторые виды птиц — например, козодои, которые издают негромкие щёлкающие звуки, отражающиеся от стен подземелья и воспринимаемые слухом.

Распространение ультразвука

• В разных средах ультразвук ведёт себя по-разному:
  • В газах, в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием.
  • Жидкости и твёрдые тела (особенно монокристаллы) — как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в них значительно меньше.
• Ультразвуковые волны способны отражаться и преломляться. Например, если ультразвук наталкивается на препятствие, происходит отражение, если препятствие мало — ультразвук его как бы обтекает.

Влияние ультразвука на живые существа

• Биологические эффекты зависят от интенсивности, частоты и длительности воздействия. Например:
  • Если ультразвуковые волны имеют низкую интенсивность, возникает микровибрация на уровне клетки, активизируются транспортные процессы.
  • При увеличении интенсивности ультразвуковое давление может вести к повреждению молекул.
• Ультразвук может оказывать влияние на поведение и физиологию живых существ. Например, ультразвук может стимулировать рост растений и микроорганизмов, а также подавлять развитие патогенных бактерий.

Применение ультразвука

• Эхолокация — способность животных определять своё местоположение и ориентироваться в окружающей среде при помощи ультразвука.
• Общение — ультразвуковые сигналы используются животными для общения на больших расстояниях. Некоторые виды птиц и насекомых издают ультразвуковые звуки для привлечения партнёров или предупреждения об опасности.
• Обнаружение добычи — некоторые животные, такие как совы и койоты, используют ультразвуковые волны для обнаружения движений своей добычи. Эти звуки отражаются от движущихся объектов, что позволяет животным определить их местоположение и размер.
• Ультразвуковая мимикрия — некоторые виды рыб и насекомых имитируют звуки, издаваемые другими существами, чтобы отпугнуть хищников или привлечь добычу. Например, некоторые виды цикад и сверчков могут генерировать ультразвуковые частоты, которые отпугивают хищников.

5) ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ТЕХНИКЕ

Медицина

• Диагностическое применение. Ультразвук используется для визуализации внутренних органов человека, особенно брюшной полости и полости таза. Например:
  • Эхокардиография — позволяет в реальном времени оценивать размеры, толщину стенок и сократительную функцию камер сердца, состояние клапанного аппарата.
  • Ультразвуковое исследование суставов, сухожилий и мышц — используется в ортопедии, травматологии и спортивной медицине для визуализации структуры и патологических изменений в тканях опорно-двигательного аппарата.
• Терапевтическое применение. Ультразвук применяется в лечебных целях, например, для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, восстановления после травм. Например, используется комбинированный метод лечения — фонофорез, при котором на ткани вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани.
• Применение в хирургии. В одной области используется способность фокусированного ультразвука высокой интенсивности вызывать локальные разрушения в тканях, в другой — механические колебания ультразвуковой частоты используются в хирургических инструментах для ультразвуковой резки биологических тканей.

Промышленность

• Очистка. Ультразвуковые волны создают микроскопические пузырьки в очищающем растворе (процесс кавитации), которые при взрыве эффективно удаляют грязь и масло с поверхностей.
• Сварка. Ультразвуковые вибрации применяются для соединения материалов, обычно пластиков. Это быстрый и энергоэффективный метод, который не требует использования связующих веществ или внешнего тепла.
• Дефектоскопия. Ультразвуковые волны отражаются от дефектов внутри материала, позволяя точно определить местоположение и размер дефектов.
• Улучшение свойств металлов и сплавов. Например, ультразвуковая обработка расплава перед кристаллизацией способствует измельчению зерна и повышению однородности структуры литого металла, что улучшает механические свойства (прочность, пластичность).
• Формование металлов. Ультразвуковые колебания снижают сопротивление металла деформации, что позволяет осуществлять глубокую вытяжку и формовку даже труднодеформируемых сплавов.

Наука

• Изучение свойств и строения веществ. Ультразвуковые методы основаны на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих. Например:
  • Измерение скорости ультразвука позволяет определить характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.
  • Ультразвук используется для разрушения внутриклеточных структур (митохондрий, хлоропластов) в биологических исследованиях, например, для изучения взаимосвязи между их структурой и функциями.
• Исследование структуры вещества. Изменения скорости распространения и параметров затухания ультразвука зависят от внешних условий (давления, температуры и др.), на этом основываются промышленные методы контроля наличия примесей, исследования свойств кристаллических материалов.

Экология

• Борьба с «цветением» воды в водоёмах. Ультразвуковое излучение низкой интенсивности подавляет рост водорослей и цианобактерий, которые загрязняют водоёмы токсинами. Например, в Санкт-Петербурге разработаны ультразвуковые установки для предотвращения «цветения» цианобактерий в городских водоёмах.
• Подавление роста бактерий. Ультразвук низкой интенсивности может контролировать рост некоторых бактерий, например, E. Coli и Enterococcus.

Однако есть и негативные аспекты применения ультразвука в экологии, например, его негативное воздействие на биоразнообразие. Поэтому важно разрабатывать технологии для минимизации вредного воздействия ультразвука на окружающую среду.

6) Информация из учебника (угл. уровень)

 

---

Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Ультразвук и инфразвук в природе и технике».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).