Что такое звук? Как устроено ухо? Что значит герц и децибел? Как устроен микрофон?
Звук. Он окружает нас с самого рождения. После зрения он, пожалуй, самое главное, с помощью чего мы воспринимаем наш мир. Но что это? Какова его природа? По каким законам он живёт? Давайте разбираться!
Откуда берется звук и почему мы его слышим?
Почему все звуки разные и что такое частоты и герцы, амплитуда и децибелы, а также громкость?
Как устроена звукозапись?
1.Из за наличия у нашей планеты атмосферы, наполненной смесью газов — воздухом, у нас существует такое понятие как звук. Ведь звук — волнообразные колебания молекул воздуха. При любых таких колебаниях, вызванным будь то бегом человека, хлопоком в ладоши, лаем собаки или ударом по струне гитары, они улавливаются нашим ухом и воспринимаются нами как звуки. Рассмотрим этот процесс подробнее: например мы ударили барабанной палочкой в барабан. Тот час слышен соответствующий звук. Что произошло? Удар вызвал резкое смещение молекул воздуха, образовавшее большее давление, по сравнению с общий давлением окружающего воздуха, которое волнообразными колебаниями начало распространяться в пространстве, словно падение частиц домино, составленных в ряд. Так колебания дошли до молекул воздуха, находящихся в нашем наружном ухе. Ушная раковина и внешний ушной проход усилили эти колебания за счет своей формы (это как зал с хорошей акустикой, но в нашем теле), и наконец, движение молекул передалось барабанной перепонке — тонкой мембране, изолирующей от воздуха внутреннею часть уха, что привело уже к колебанию самой перепонки. Колебание передалось через систему среднего уха во внутреннее ухо, а точнее в специальную «улитку» — орган, представляющий собой спиралевидный канал из костной ткани, наполненный жидкостью и волокнами базилярной мембраны.
Мембрана делит улитку на два коридора — лестницу преддверия и барабанную лестницу. Жидкость, а именно перилимфа заполняет барабанную лестницу, а эндолимфа — лестницу преддверия. Через эти жидкости колебание передалось Кортиеву органу, расположенному на базилярной мембране. Он представляет из себя скопление волосковых клеток, улавливающих колебания, и преобразующих их уже в нервный импульс, несущий информацию о характере звука в нервные окончания, идущие в слуховой центр мозга. Сложнейший процесс, который происходит за доли секунды.
2.Мы разобрались с тем, что такое звук и каким образом мы его воспринимаем. Но что его характеризует? И почему все звуки разные?
У любой звуковой волны (то есть у колебания молекул в пространстве) есть несколько свойств: частота (высота), амплитуда (громкость), длина (продолжительность), а также спектр (тембр). В статье рассматриваются только первые два, самые ключевые свойства.
Частота — количество волнообразных колебаний, произошедших за секунду. Определяет то, что мы называем высотой звука. Чем больше частота, тем выше звук. Частота измеряется в герцах. 1 герц — одно колебание в секунду. Человек способен воспринимать звуки от 20 до 20 000 герц. Все что ниже — инфразвук, выше — супер и гиперзвук.
Здесь существует зависимость — чем больше значение герц, то есть чем чаще происходят колебания, тем они короче:
Так, низкие по частоте звуковые волны более продолжительны.
Теперь разберемся с амплитудой, частично задающей то, что мы называем громкостью. Амплитуда это величина, показывающая на сколько сильны колебания воздуха, то есть на сколько сильное давление создает звуковая волна. Вот как выглядят больший и меньший по амплитуде звуки:
У последнего амплитуда колебаний выше, соответственно каждое колебание создаёт большее давление. Сразу уточню — амплитуда и громкость это не одно и тоже! Как я уже упомянул — амплитуда показывает силу давления, создаваемого звуковой волной, а громкость это восприятие нашим ухом этого самого давления. Однако не одна амплитуда определяет, будем ли мы считать звук громким, или тихим. На громкость также влияют главным образом частота, а также остальные свойства звука. Амплитуда, измеряется в децибелах. Децибел это не линейная величина, она показывает не силу давления звука, а то, во сколько раз это давление больше минимального уровня давления, которое может уловить наше ухо. Таким образом прибавление 12 децибел хоть к двум, хоть к ста децибелам увеличивает громкость в 4 раза! То есть прибавить 12 децибел к звуку тихого шепота совсем не все равно, что прибавить 12 децибел к громкости на концерте Rammstein. И в том, и в другом случае амплитуда, а значит и громкость увеличится в 4 раза. Одолжил у Википедии шкалу сравнения громкости в децибелах:
0 — порог слышимости
5 — почти ничего не слышно — тишина среди ночи.
10 — почти не слышно — шёпот, тиканье часов.
15 — едва слышно — шелест листьев.
20 — едва слышно — уровень фона на открытой местности;
25 — мурлыканье кота на расстоянии 0,5 м.
30 — тихо — настенные часы, максимально разрешённый шум для источников постоянного шума, расположенных в жилых помещениях, ночью с 21:00 до 7:00.
35 — хорошо слышно — приглушённый разговор, тихая библиотека, шум в лифте.
40 — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис), шум кондиционера, шум телевизора в соседней комнате.
50 — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина.
60 — умеренно шумно — громкий разговор, норма для контор.
65 — весьма шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м.
70 — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м.
75 — шумно — крик, смех с расстояния 1 м, шум в старом железнодорожном вагоне.
80 — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м, крик, мотоцикл с глушителем, шум работающего двигателя грузового автомобиля, длительный звук вызывает ухудшение слуха.
85 — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;
90 — очень шумно пневматический отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7 м.
95 — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м, громкая игра на фортепиано на расстоянии 1 м;
100 — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;
110 — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;
115 — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, м, пневмосигнал для велосипеда;
120 — почти невыносимо — болевой порог, гром, отбойный молоток, кислородная горелка;
130 — боль — сирена, рекорд по самому громкому крику, мотоцикл (без глушителя);
140 — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;
150 — контузия, травмы — реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам, ухудшается зрение;
160 — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья близко от уха, ударная волна от сверхзвукового самолёта или от взрыва давлением 0,002 МПа;
165—185 — светошумовая граната[4];
194 — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;
200 — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна быстрая смерть;
250 — максимальное давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола — 60 МПа[5];
282 — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве — 2500 МПа[6];
300 — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ — 20 000 МПа;
374 — максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва — 100 000 000 МПа;
Поговорим подробнее о громкости. Выше я уже рассказал, что громкость это распознавание нашим мозгом того, насколько уж простите за тавтологию громким является звук. При этом громкость зависит не только от амплитуды, но во многом и от частоты. Взгляните на таблицу:
Это так называемая кривая громкости, она показывает зависимость уровня громкости, который измеряется здесь в условных единицах фонах, от амплитуды и частоты. Если вы вдруг не поняли, как ей пользоваться, приведу справку: по вертикали уроверь громкости в децибелах, по горизонтали частота в герцах. Выбираете определенную громкость и частоту, и проводите от них воображаемые линии. Точка пересечения линий будет уровнем громкости в фонах. Картинка:
Так, кривые громкости показывают нам, что звук в 40 дб и частотой 200 гц воспринимается нами в 40 фонов, но при этом звук в те же 40 дб, но частотой 500 гц, воспринимается примерно в 45 фонов. Дальше больше: 1000 герц — уровень фонов вернулся к 40, 2500 герц — снова 45 фонов, а на 7500 герц упал до 35. Естественно, все эти значения взяли не из воздуха — кривая громкости составлена по ощущениям большого количества людей в возрасте 18-25 лет, которым включали звуки разной амплитуды и частоты.
3.В завершение статьи хотелось бы упомянуть о том, как устроен микрофон, и каким образом он преобразует звуковые волны, то есть колебания молекул воздуха, в электрический сигнал. Существует большое количество различных типов микрофонов, отличающихся по своей конструкции и способу работы. Хотелось бы рассмотреть конденсаторный микрофон, ведь сейчас это один из самых распространённых типов микрофонов, кроме того, звукозапись музыки или какого либо другого аудиоматериала в студиях всегда осуществляется именно на него. Сразу представлю схему микрофона:
Две синии пластинки это конденсатор. Они не соединены между собой, крайняя представляет из себя тонкую пленку, покрытую никелем с внутренней стороны, которая активно колеблется под действием звуковых волн. Она называется диафрагмой. Вторая пластинка неподвижна. Обе пластинки подключены в электрическую цепь, в них есть ток. При колебании диафрагмы ее расстояние до второй пластинки изменяется, а ее электрические токи действуют на нее. Таким образом, напряжение во второй пластинке меняется в зависимости от приближения, или отдаления диафрагмы. На wavefrom (дорожка, показывающая входящие звуковые волны при звукозаписи в различных аудиоредакторах) показывается ни что иное, как сила тока, идущая от микрофона, и меняющаяся при изменении напряжения, вызванного колебанием диафрагмы.
Научно-исследовательский проект "Откуда берётся звук и как его слышит человеческое ухо"
Научно-исследовательский проет «Откуда берётся звук и как его слышит человеческое ухо». Проект разработан обучающимися 4 класса.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
| otkuda_beretsya_zvuk_i_kak_ego_slyshit_chelovecheskoe_uho.docx | 222.98 КБ |
Предварительный просмотр:
Моу «Чойская СОШ»
Научно — исследовательский проект
ОТКУДА БЕРЕТСЯ ЗВУК И КАК ЕГО СЛЫШИТ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ УХО.
Авторы: Дернова Диана, Макрушина Екатерина, Субботина Дарья.
Руководитель: Петрунина Н.В..
- Теоретическая часть…………………………………………………………. 6
- Теоритические сведения о природе звука……………………………….6
- Источники, классификация и характеристика звука……………………7
- Как мы слышим. 8
- Экспериментальная часть……………….……………… …………..……. 13
- Эксперимент №1 «Как возникает звук?» ………………….…………..13
- Эксперимент №2 «Звук передаётся в разных средах» . ………………13
- Эксперимент №3 «Можно ли увидеть звук?»…….………………..…..14
- Эксперимент №4 «Характеристика звука».…………………………….14
- Эксперимент №5 «Как спрятать звук?»……..……….…………………15
- Заключение ……………………………………………………………..……16
- Использованная литература и интернет ресурсы…………..…………… 17
Паспорт исследовательской работы
«Откуда берется звук и как его слышит человеческое ухо».
Авторы – Дернова Диана, Макрушина Екатерина, Субботина Дарья.
Руководитель проекта: учитель начальных классов Петрунина Н.В.
Возраст обучающихся: 10 лет.
Тип проекта: информационный.
По продолжительности : 3 недели.
Объектом исследования является звук.
Предметом исследования явилась возможность использования знаний о звуке в учебной и игровой деятельности.
Техническое обеспечение проекта:
Программа PowerPoint установленная на компьютере, настенный экран, колонки, проектор.
Каждый звук — кусочек мира.
В каждом звуке — целый мир.
В звуках — вся моя квартира,
В звуках — тысячи квартир.
В звуках — улица большая
И огромная страна…
Звукам нет конца и краю
В звуках — Он! Оно! Она!
Звуки в радости и в скуке,
Звуки — свет и звуки — тень.
День заканчивают звуки,
Звуки начинают день.
Мы учимся в четвертом классе. Любим всё новое и необычное.
Представленный нами проект является нашей первой работой в области физики.
В повседневной жизни мы окружены звуками и различными шумами. Они помогают нам понять, что происходит вокруг. Звуки очень разнообразны и здесь возникает множество вопросов: Откуда берется звук и что требуется для его распространения? Каким образом мы воспринимает звуки? Эти вопросы послужили поводом для изучения данной темы.
Звуки — часть нашей жизни. Мы применяем звуки не задумываясь. Нам захотелось узнать, как появляются звуки, какие звуки нас окружают. Нам стало интересно: все ли звуки мы слышим?
Цель проекта — ответить на вопрос: как появляется звук, какие звуки нас окружают, как слышит человек.
Изучить информацию о звуке.
Выяснить, как появляется звук.
Узнать, как мы слышим звуки.
Найти информацию о том, какие звуки бывают.
Исследовать звук опытным путем.
Звук образуется, когда что – то дрожит. Дрожание предметов вызывает дрожание воздуха. Оно распространяется в виде волны. Волны разные — звуки разные.
План исследовательской работы:
2. Определение цели и задач.
3. Составление плана работы.
4.Сбор материала по теме исследования.
1. Чтение книг по теме исследования.
2. Поиск информации в Интернете.
3. Провести эксперименты, чтобы узнать больше о разных звуках.
I. Теоретическая часть
1.1.Теоретические сведения о природе звука
С рождения человек слышит различные звуки, которые служат источником информации об окружающем его мире. Что же такое звук?
Люди давно стали догадываться о том, как звуки рождаются, живут и «умирают». Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Наука о звуке называется – акустика. Первые наблюдения по акустике были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издающей звук. В IV в. до н.э. древнегреческий философ и ученый Аристотель верно представил, как распространяется звук в воздухе. Необыкновенно искусны были мастера, изготавливавшие музыкальные инструменты, и музыканты, игравшие на них.
Мир звуков окружает нас и сейчас и со всех сторон. В наше время на человека в течение дня воздействуют самые разнообразные звуки. Да и сами мы любим пошуметь.
В детской энциклопедии «Я познаю мир. Физика» автор – составитель Ал. А. Леонович очень доступно рассказал о звуке.
Как же создать звук? Да очень просто – крикнуть, вот и все дела! Можно еще чем – нибудь постучать, например, молотком по гвоздю или кулаком в дверь. Или гаечным ключом по батарее отопления – все вокруг услышат. Ногами потопать, мячом похлопать. Посвистеть, в трубу подудеть. Или линейкой подребезжать.
На примере линейки можно буквально увидеть глазами, как рождается звук. Какое движение совершает линейка, когда мы закрепим один её конец, оттянем другой и отпустим его? Мы заметим, что он как будто бы затрепетал, заколебался. Звук создается коротким или долгим колебанием каких – то предметов (рис.1).
Итак, звук – это упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. Среда может быть твердой, жидкой, газообразной. Можно сказать, что звук — это вибрация. Причина звука – вибрация тел, хотя эти колебания не заметны для нашего глаза. Она может распространяться в воздухе, в воде или дереве. И даже передаваться по нитке. Там, где нет воздуха, например, в космосе, звук не распространяется, там нечему передавать вибрацию.
1.2. Источники, классификация и характеристики звука
Источники звука могут быть искусственными и естественными.
Звуки речи людей, жужжание насекомых, голоса птиц, животных, звуки природы (грохот грома, шелест листьев, легкий плеск воды).
музыкальные инструменты, звуки работающих устройств, механизмов, транспорта.
На официальном сайте журнала «Наука и образование» мы нашли определение термина «Классификация звуков».
Какие бывают звуки
По форме и характеру ударной волны
Выстрел, взрыв, электрическая искра, при ударе
каких – либо тяжелых предметов
Шелест листьев, треск при ломке дерева, речь
Звуки, издаваемые музыкальными инструментами,
Основными характеристиками звука являются частота и интенсивность колебаний, которые влияют на слух людей. Частота колебаний – это число полных колебаний за одну секунду. Эту единицу называют Герцем (Гц). Громкость звука измеряется в децибелах.
1.3. Как мы слышим?
Узнать окружающий мир нам помогают органы чувств. Люди слышат звуки ушами. Ухо – это приемник звуковой волны (рис 2).
Слух — способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха. В основе возникновения звука лежат механические колебания упругих тел. В слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности колеблющего тела, возникает сгущение (сжатие) и разрежения. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в стороны в виде упругой продольной волны, которая достигает уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, воздействующие на слуховой анализатор.
Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16–20 Гц до 15–20 кГц. Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха.
У человека органом слуха является ухо, которое воспринимает звуковые импульсы, а также отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами. Он представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых, выполняет свои конкретные функции.
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна.
Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом, мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов. Наружный слуховой проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания. В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо. Звучат только дрожащие предметы. Почему не все дрожащие предметы звучат? Например, если потрясти рукой, то ничего не услышишь. Дело в том, что наше ухо слышит звук только в том случае, если частота колебаний предмета больше 20, но меньше 16 тыс. колебаний в секунду. Причем чем больше частота колебаний, тем выше звук, который мы слышим.
Основной частью среднего уха является барабанная полость — небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко — они соединяются между собой и с внутренним ухом (окно преддверия), они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их. Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки.
Внутреннее ухо из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, внутри которой находится перепончатый канал, заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту.
Слуховой орган человека работает следующим образом. Ушные раковины улавливают колебания звуковой волны и направляют их в слуховой проход. По нему колебания направляются в среднее ухо и, достигнув барабанной перепонки, вызывают ее колебания. Через систему слуховых косточек колебания передаются дальше – во внутреннее ухо (звуковые колебания передаются перепонке овального окна). Колебания перепонки вызывают движение жидкости в улитке, она, в свою очередь, заставляет колебаться базальную мембрану. При движении волоконец волоски рецепторных клеток касаются покровной мембраны. В рецепторах возникает возбуждение, которое по слуховому нерву в конечном итоге передается в головной мозг, где через средний и промежуточный мозг возбуждение попадает в слуховую зону коры больших полушарий, расположенную в височных долях. Здесь происходит окончательное различение характера звука, его тона, ритма, силы, высоты и его смысла.
Звук с частотой ниже 16 Гц. называется инфразвуком, а с частотой выше 20000 Гц. — ультразвуком. И тот, и другой мы не слышим. Инфразвуки слишком низки для нас, а ультразвуки – слишком высоки.
Инфразвук воспринимают кошки, собаки, киты. А дельфины, летучие мыши способны слышать ультразвуки. Инфразвук и ультразвук используют в разных областях науки. (рис.3).
Мы можем различать высоту звука – его тон. Чем больше звуковые волны по размаху, тем громче звук (рис.4).
На практике громкость измеряют в децибелах.
20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
40 дБ – тихий разговор;
50 дБ – разговор средней громкости;
70 дБ – шум пишущей машинки;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
100 дБ – громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5–7 м;
120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м;
130 дБ – порог болевого ощущения.
Все, что звучит громче спокойного разговора, для организма уже нагрузка. Непрерывный шум постепенно разрушает здоровье. Человек, постоянно подвергающийся воздействию шума, быстро переутомляется и становится раздражительным, забывчивым, чаще страдает от слабости и головокружения. Вот почему педагоги призывают нас не шуметь в школе и вести себя спокойно.
Исследовательская работа по теме: «Откуда берется звук?»
Исследовательская работа
«Откуда берется звук?»
Выполнила:
ученица 3 В класса
МБОУ СОШ №26
Яхменёва Злата
Научный руководитель:
Арестова С.В.
Тема: «Откуда берется звук?»
Проблема: Мы живём в мире звуков. Где бы мы не находились, что бы мы не делали – нас всюду сопровождают самые различные звуки. Каждое наше движение вызывает звук – шорох, шелест, скрип, стук. Так что же такое – «ЗВУК»?
Гипотезы:
Звук передается по воздуху;
Звук появляется при соприкосновении предметов;
Звук –это тайна природы.
Цель: выяснить ,что такое «звук» и откуда он берется .
Задачи:
Узнать , что такое «звук» и откуда он берется;
Провести опыты со звуком;
Выявить физические свойства звука.
Методы исследования:
Подумать самостоятельно;
Использовать энциклопедии (книги, интернет);
Спросить у взрослого;
Провести эксперименты.
Звук — это колебания, распространяющиеся в воздухе, воде или твердых телах.
Бросьте в воду камень. По её поверхности тотчас же разойдутся круговые волны, уходящие всё дальше и дальше от места падения камня. На первый взгляд кажется, что вместе с волной уходят и отдельные частицы воды. Но если бросить на поверхность воды лёгкую щепку, то можно увидеть, что щепка только покачивается вверх и вниз; она в точности повторяет движение окружающих её частиц воды. Когда волна набегает, щепка поднимается вверх – на гребень; волна прошла – и щепка снова возвращается на прежнее место. Она не движется по направлению движения волны, не следует за волной. Значит, и частицы воды, образующие волну, не уходят с ней, а только колеблются вверх и вниз.
Распространение звука можно сравнить с распространением волны по воде. Только вместо брошенного в воду камня имеется колеблющееся тело, а вместо поверхности воды – воздух.
Число колебаний тела в одну секунду называется частотой.
Далеко не всякое колебание сопровождается звуком. Тело издаёт звук, воспринимаемый человеческим ухом, только в том случае, если оно колеблется не меньше 16 и не более 20 000 раз в одну секунду. Однако не верно было бы думать, что тело, колеблющееся с частотой, скажем, 10 или 30 000 раз в секунду, не звучит. Медленно колеблющийся маятник настенных часов тоже звучит, как звучат тела и при ста тысячах колебаний в секунду. Только мы этих звуков не слышим.
Чем больше колебаний в секунду совершает тело, тем выше издаваемый им звук.
Интересно отметить, что при возникновении звука определённой высоты совершенно безразлично, какое тело колеблется и что является причиной колебаний. Любые тела, колеблющиеся, например, 500 раз в секунду, всегда дадут звук одной и той же высоты, будет ли это струна гитары, колокольчик или свисток.
Звук распространяется и в воздухе и в воде и в твердых телах, но с различной скоростью. В воздухе звук за одну секунду пролетает 330 метров. А вот в воде звук распространяется гораздо быстрее, со скоростью 1500 метров в секунду. Ну а если создать звуковые колебания твердых поверхностях, например в земле, то звук за одну секунду преодолеет 4000 метров.
Звук хорошо отражается от твердых поверхностей. Если громкий звук не встречает на своем пути преград, то отражаясь от какого-либо твердого тела звук возвращается обратно. Это явление называется эхом. Мы можем наблюдать его в больших залах, стадионах или в горах. Если вы, находясь в 330 метрах от стены стадиона, крикнете что-нибудь, то через одну секунду этот звук достигнет стены, и еще через одну секунду звук вернется к вам, и вы услышите эхо.
Простые опыты со звуком
В этом опыте мы попробуем заставить звучать обычную соломинку для коктейля.
Сожмём кончик соломинки, чтобы он стал плоским. Ножницами аккуратно отрежем уголки в плоской части соломинки, чтобы кончик имел форму трапеции. Важно, чтобы обрезанные «язычки» не склеились между собой, если это произошло их необходимо разлепить.
Поющая соломинка
Возьмём соломинку в рот тем концом, на котором находятся «язычки». Стараясь не касаться внутренней поверхности щёк и языка, подуем сквозь соломинку. «Язычки» должны вибрировать, а соломинка издавать гудящий звук.
Научное объяснение опыта
Когда дуешь в соломинку, воздушный поток идёт по ней и заставляет колебаться обрезанные концы («язычки»). Колебания «язычков» создают вибрации воздуха, которые распространяются вдоль по соломинке. Эти колебания и вызывают гудящий звук, который издаёт соломинка.
Дудочка из соломинки
Для опыта нам понадобится «поющая» соломинка из предыдущего опыта.
В середине «поющей» соломинки мы сделаем отверстие. Сожмём середину соломинки, чтобы она стала плоской. Ножницами аккуратно вырежем уголок. Получившееся отверстие не должно быть слишком большим.
Подуем в соломинку, периодически открывая и закрывая сделанное в середине соломинки отверстие.
При открытом отверстии звук более высокий.
Научное объяснение опыта
Когда отверстие в соломинке закрыто, то воздух должен пройти весь путь вдоль трубочки, что создаёт самый низкий звук.
Когда же отверстие открыто, то воздух выходит сквозь него, не доходя до конца трубочки. Звуковая волна укорачивается, а звук становится более высоким.
Струнный инструмент
Для опыта нам понадобится прочная нитка длиной 15 – 20 см, пластиковый стаканчик, канцелярская скрепка.
Растянем нитку и подёргаем струну одним пальцем. Звук получается негромким и мягким.
В донышке пластикового стаканчика проделаем отверстие, в которое заведём нитку. Привяжем скрепку к тому концу нитки, который проходит через внутреннюю часть стаканчика. Вытянем нитку с другого конца так, чтобы скрепка легла на дно стаканчика и он оказался «нанизанным» на нитку. Попробуем теперь подёргать за нитку. Звук стал более громким.
Научное объяснение опыта.
В случае, когда мы пытались извлечь звук из растянутой нити, начали колебаться только те частицы, которые находились в непосредственном контакте с ниткой. Поскольку таких частиц не много, звук получается тихим.
Когда мы добавили стаканчик, ситуация изменилась. Колебания нитки передаются и стакану, колеблющихся частиц становится больше, а звук становится более глубоким и громким.
Выдуваем звук
Для опыта нам понадобятся соломинка для коктейля, стакан с водой и ножницы.
С помощью ножниц сделаем надрез на соломинке примерно в 5 см от конца. Соломинка должна быть практически разрезана на две части. Согнём части соломинки под прямым углом.
Длинный конец соломинку вставим в стакан с водой, а в короткий будем аккуратно дуть. Как только нам удалось получить свистящий звук, подвигаем соломинку вверх и вниз в стакане.
Чем глубже соломинка в стакане, тем более высокий звук получается.
Научное объяснение опыта
Когда мы дуем в соломинку, то создаём поток воздуха в ней. Когда этот поток проходит над нижней частью соломинки, он создаёт движение воздуха в ней. Вибрация нижней части соломинки вызывает свистящий звук.
Когда мы опускаем соломинку глубже в воду, вода занимает большее пространство соломинки, столб колеблющегося воздуха уменьшается, а звук получается более высоким. Когда соломинка поднимается, столб воздуха увеличивается, а звук становится более низким.
Пятнышко звука
Для опыта нам понадобятся картонная трубка (от рулона туалетной бумаги), квадрат из кальки с длиной стороны около 10 см, аптечная резинка, фольга, клей и карманный фонарик.
Вырежем из фольги кружок диаметром 2 см и приклеим его в центре квадрата из кальки. Закроем калькой один из концов картонной трубки так, чтобы приклеенный на кальке кружок фольги располагался в середине трубки. Края квадрата из закрепим на картонной трубке с помощью резинки.
Луч фонарика направим на фольгу так, чтобы отражённый от неё солнечный зайчик был виден на стене. Скажем что-нибудь в открытый конец трубки. Солнечный зайчик на стене начинает прыгать.
Научное объяснение опыта.
Звуковые волны выходя из нашего рта попадают в трубку и достигают кальки, заставляя её вибрировать. Приклеенная на кальке фольга вибрирует вместе с калькой, эти вибрации и вызывают движения солнечного зайчика.
Свойства звука:
Звук — это колебания, распространяющиеся в воздухе, воде или твердых телах.
Звук имеет частоту (число колебаний тела в 1 секунду);
Не все звуки мы слышим (тело издаёт звук, воспринимаемый человеческим ухом, только в том случае, если оно колеблется не меньше 16 и не более 20 000 раз в одну секунду);
Чем больше колебаний в секунду совершает тело, тем выше издаваемый им звук.
Звук хорошо отражается от твердых поверхностей.(Эхо)
Выводы:
первая гипотеза подтвердилась полностью: звук-это колебания, которые передаются по воздуху, (а также в воде и твердых телах);
вторая гипотеза частично: звук можно получать не только при помощи соприкосновения предметов;
третья гипотеза не подтвердилась, т.к. ученые давно всё узнали о звуке.
Изучали звук: Пифагор, Аристотель, Леонардо да Винчи, Роберт Бойль, Ньютон и др.
Физика звука
Акустика — это раздел физики, изучающий возбуждение, распространение, прием звуковых волн, а также их взаимодействие со средой. Особенностью звуковых волн, отличающих их от электромагнитных или гравитационных, является то, что они могут распространяться только в сплошной упругой среде. Звук окружает нас повсюду: в атмосфере, под водой, под землей, в биологических средах и материалах и даже в космосе. Только звук может распространяться в земных структурах и под водой без существенного затухания, поэтому он широко используется в исследованиях природных сред.
Обычно мы называем звуком то, что мы слышим. Принято считать, что диапазон частот слышимого нами звука лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Это соответствует 20–20 000 колебаний в секунду. Звуковые волны, частота колебаний которых выходит за этот диапазон, получили свои специальные названия.
Ультразвуком называют звуковые волны, частота колебаний которых выше 20 кГц. Технологически развитый диапазон применения ультразвука лежит в пределах от 20 кГц до 100 МГц. Более высокочастотная область ультразвука получила название гиперзвук. Звуковые волны гиперзвуковых частот могут распространяться только в кристаллах с малым поглощением звука, таких, как монокристаллы кварца, сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и др. Гиперзвук используется при обработке больших массивов информации, в том числе оптических изображений, и исследовании строения твердых тел. Этим занимается наука акустоэлектроника. Диапазон, в котором гиперзвук возбуждается искусственным, контролируемым образом, ограничивается частотами порядка 10 ГГЦ, что связано с высоким затуханием. При столь высоких частотах длина волны такого звука будет уже соизмеримой с межатомным расстоянием в кристалле. В таком случае мы уже не можем считать кристалл сплошной средой.
Звуковые волны, частота которых ниже 20 Гц, называют инфразвуком. Затухание инфразвука невелико, и поэтому инфразвуковые волны активно используются для исследования океана и структуры земли. Звуки взрывов вулканов могут обогнуть весь земной шар, низкочастотный подводный звук распространяется через океаны на тысячи километров.
Далее мы обсудим современные идеи и новые акустические технологии исследования и освоения окружающего мира. Часто акустические методы не имеют альтернативы и поэтому оказываются наиболее эффективными для решения той или иной важной задачи.
Звук и инфразвук в исследовании природы
Исследование океана. Звуковые волны распространяются в природе — в атмосфере, океане, под землей — по своеобразным каналам. Открытие подводного звукового канала было сделано в нашей стране в 1946 году, когда ученые вместе с военными моряками испытывали в Японском море акустическую аппаратуру для проведения измерений подводного звука от взрыва американской атомной бомбы на атолле Бикини. В процессе испытаний регистрировался уровень акустического сигнала от взрывов глубинных бомб в зависимости от расстояния. Неожиданно выяснилось, что для дистанций больше 50 км уровень зарегистрированных сигналов стал очень слабо меняться с расстоянием и звуки взрывов глубинных бомб были хорошо слышны и на дистанции 600 км, когда опыт был прекращен. Ожидалось, что для большого океана далеко от берега акустический сигнал должен распространяться по сферическому закону от точечного источника, каким можно было считать глубинную бомбу. В таком случае интенсивность звука должна быть обратно пропорциональной площади сферы, охватывающей источник, т.е. должна была уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния, пройденного звуком.
Объяснение этому интересному эффекту дал Л. М. Бреховских — впоследствии академик и лауреат Государственной премии СССР. Он обратил внимание на то, что температура воды быстро падает до глубины 100–200 м, а затем принимает постоянное значение около 4°C. Падение температуры приводит к уменьшению скорости распространения звука, а рост давления с глубиной приводит к увеличению этой скорости. Таким образом, в зависимости скорости распространения звука от глубины оказывается минимум, в котором и концентрируется акустическая энергия. На рисунке 1 видно, что если поместить излучатель на уровень минимума скорости звука, то звуковые лучи, выходящие из излучателя, в результате рефракции будут удерживаться вблизи этого минимума. В итоге часть звуковых лучей, вышедших из источника под не очень крутыми углами, остаются при распространении в слое толщиной в несколько сот метров. Такой слой представляет собой подводный акустический волновод, или подводный звуковой канал.
Рис. 1. Схематическое изображение распространения сигнала в подводном звуковом канале. Слева — профиль скорости звука в зависимости от глубины. Источник и приемник звука расположены на оси канала, соответствующей минимальной скорости звука. Лучи в результате рефракции звука совершают циклические осцилляции. Цифры над лучами указывают угол выхода луча из источника. В нижней части рисунка показаны две серии осциллограмм зарегистрированных сигналов, отличающихся температурными условиями в приповерхностной части канала
Стоит отметить, что эффект акустического волновода использовался средневековыми мастерами при создании «шепчущих» галерей. Такие галереи имеют кривые или замкнутые стены. Если вы вблизи такой стены говорите шепотом, то звуковые лучи концентрируются около нее и на расстоянии в несколько десятков метров можно отчетливо слышать ваш шепот, находясь также около стены. Такие шепчущие галереи есть в соборах Святого Павла в Лондоне и Святого Петра в Риме, в Храме Неба под Пекином и, возможно, где-то еще.
Характер распространения звука в акустическом волноводе аналогичен распространению лазерного излучения в оптическом волноводе. В настоящее время особенности распространения звука в подводном акустическом волноводе используются для термометрии океана.
Океан можно рассматривать как гигантский, занимающий огромную площадь термометр. Следя за изменениями температуры глубинных слоев океана, можно следить за потеплением климата. Дело в том, что масштабные климатические изменения надежно определить чрезвычайно трудно из-за больших флуктуаций во времени и пространстве. Огромные массы воды в океане усредняют эти флуктуации. Определить среднюю температуру глубинных слоев океана на масштабах в несколько тысяч километров можно только акустическими методами, электромагнитные волны в морской воде не распространяются на заметное расстояние.
Скорость распространения звука увеличивается с ростом температуры. На рисунке 1 внизу показаны две серии зарегистрированных акустических импульсов, отличающихся тем, что во второй серии верхние слои океана имели несколько более высокую температуру, чем в первой. Как видно, сигналы, распространяющиеся по красному лучу, который максимально близко подходит к нагретой поверхности океана, приходят несколько раньше, чем сигналы, распространяющиеся по другим лучам. Для дистанции 250 км эти изменения во времени распространения могут составлять доли секунды. По другим лучам изменений во времени распространения нет. Таким образом, из такого опыта можно узнать, на сколько градусов и на какую глубину прогрелась вода в океане. Ясно, что чем больше дистанция распространения звука, тем выше чувствительность этого метода. Звук пробегает 250 км в океане за 167 с, что соответствует скорости распространения около 1500 м/с. Заметим, что первыми приходят наиболее быстрые сигналы, распространяющиеся по наиболее крутым лучам, лежащим в слоях океана с большей скоростью распространения. А наиболее интенсивные сигналы приходят последними по пологим лучам, находящимся в окрестности оси подводного звукового канала, где скорость распространения минимальна.
Такая особенность распространения звука используется для дистанционного мониторинга теплопереноса в океане, что важно для прогнозирования климата. Океан формирует погоду на земле. Северный Ледовитый океан является кухней погоды для Европы и существенной части Азии. Распределенная по всему океану система излучателей и приемников звука может решать самые разнообразные задачи. Среди них можно выделить измерение времени распространения сигналов на протяженных трассах для определения содержания тепла и циркуляции океанических вод как на масштабах всего океана, так и в отдельных его частях; обеспечение подводного позиционирования и навигации подо льдом; мониторинг динамики льда, землетрясений и перемещения морских животных при пассивном прослушивании акватории океана. Все эти процедуры система может выполнять в реальном времени.
Исследование атмосферы. Распространение звука в атмосфере подчиняется тем же самым законам, что и распространение звука в океане, с той разницей, что скорость распространения звука в воздухе в нормальных условиях у поверхности земли составляет 340 м/с. Это существенно меньше скорости звука в воде.
На рисунке 2 представлена схема звуковых лучей, выходящих из источника звука в атмосфере. Как видно, в присутствии ветра лучи по-разному ведут себя в зависимости от направления распространения. Поток воздуха увеличивает скорость распространения звука по ветру и несколько снижает ее в противоположном направлении. Как правило, приземный поток воздуха или ветер увеличивает свою скорость с высотой. Скорость распространения звука по ветру на большой высоте больше, чем у земли, поэтому фронт звуковой волны при подъеме вверх заворачивается и волна направляется вниз, где скорость меньше. Возникает рефракция звука. Благодаря этому в приповерхностном слое атмосферы образуется звуковой волновод, в котором концентрируется звук, и на поверхности земли можно регистрировать акустические сигналы, которые распространялись на высоте в несколько десятков километров. Эффект рефракции при распространении против ветра приводит к тому, что звук быстро уходит на большую высоту (десятки километров). Поэтому мы плохо слышим против ветра и хорошо по ветру.
Рис. 2. Схема звуковых лучей, выходящих из источника звука в атмосфере в присутствии ветра
Приземный звуковой волновод может образоваться не только в результате ветра. В тихий безветренный морозный день где-то за городом можно далеко слышать лай собак или шум машины. В такую погоду в приземной атмосфере возможна так называемая температурная инверсия. Обычно температура воздуха понижается с высотой, но в морозный день температура у поверхности земли, особенно в низине, может быть ниже, чем на некоторой высоте. Минимальная температура в приземном слое воздуха соответствует минимуму скорости распространения звука. Таким образом, температурная инверсия обеспечивает волноводное распространение звука у поверхности земли.
На рисунке 3 показано распределение температуры с высотой в атмосфере. Как видно, эта характеристика, как и в океане, имеет слоистую структуру. В областях нижней границы стратосферы (тропопауза) и нижней границы термосферы (мезопауза) температура, а следовательно, и скорость распространения звука достигают минимума. Здесь выполняются условия для существования атмосферных звуковых каналов. Звуковые волны от извержений вулканов или наземных взрывов распространяются по этим каналам на огромные расстояния и даже могут обогнуть Земной шар. Поэтому средняя атмосфера (от 20 до 120 км высоты) является хорошим проводником инфразвука. Это свойство атмосферы позволило ученым разработать методику инфразвукового зондирования атмосферы, базирующейся на явлении рассеяния акустических импульсов на слоистых неоднородностях скорости ветра и температуры атмосферы вплоть до высот нижней термосферы порядка 140 км. С помощью такой методики можно определить флуктуации скорости ветра в диапазоне высот от верхней стратосферы до нижней термосферы (90–140 км).
Рис. 3. Стратификация температуры в атмосфере. Изменение давления показано в гектапаскалях (1 гПа = 100 Па). В областях тропопаузы и мезопаузы температура, а следовательно, и скорость распространения звука достигают минимума. Здесь находятся атмосферные звуковые каналы
Сейсмические волны в земле. Аналогичным образом распространяются сейсмические волны в земле. Они могут быть как естественного происхождения, так и искусственные. В качестве естественных источников сейсмических волн мы можем назвать землетрясения, извержения вулканов, горные обвалы. Искусственным образом сейсмические волны возбуждаются наиболее эффективно взрывом или специальными многотонными вибраторами. Если в океане и атмосфере распространяются только продольные звуковые волны (в жидкостях и газах отсутствует сдвиговая упругость), то сейсмические волны могут быть как продольные, так и поперечные. Поперечные волны, в зависимости от плоскости колебаний, могут иметь разную поляризацию. Скорость распространения поперечных волн, как правило, в 2–3 раза меньше скорости распространения продольных. Наличие сейсмических волн двух типов расширяет возможности сейсмического зондирования в сравнении с зондированием океана или атмосферы.
Центральной задачей сейсмического зондирования является исследование структуры земли и поиск полезных ископаемых. Обе эти задачи требуют выполнения противоречивых подходов. С одной стороны, интересно заглянуть как можно глубже под поверхность земли. Этого можно достичь, понижая частоту сейсмического излучения. С понижением частоты снижаются потери, связанные с затуханием, и звуковые волны распространяются дальше. С другой стороны, уменьшение частоты ведет к росту длины излучаемой волны, а это снижает разрешающую способность дистанционного метода зондирования. Всё возрастающие требования к качеству разведки полезных ископаемых заставляют искать способы повышения разрешающей способности, а следовательно, и точности сейсморазведки.
Разрешить возникшее противоречие удалось за счет развития методов приема сейсмических сигналов. Известно, что чем больше приемная антенна, тем выше ее пространственное разрешение. Если принимать сигналы большим количеством приемников, объединенных в единую сеть, то можно повысить пространственную точность дистанционного зондирования. Но для этого требуется сложная обработка сигналов от многих сотен или даже тысяч приемников. Современная сейсморазведка обеспечивает достаточную точность зондирования, чтобы определить продуктивные залежи полезных ископаемых, например нефти или газа, на глубинах более 10 км. Современные технологии обеспечивают прохождение скважины горизонтально вдоль пласта, чтобы повысить эффективность добычи нефти. Толщина пласта составляет порядка 10 м на глубине несколько километров. При этом длина скважины может быть более 10 км. Точность прокладки скважины соизмерима с точностью выведения ракеты на траекторию к межпланетному полету.
Рис. 4. Вертикальный сейсмический разрез строения верхних слоев земли
Для зондирования структур земли используют естественные низкочастотные сейсмические сигналы от землетрясений или даже приливных волн, вызванных движением Луны. На рисунке 4 показан пример результатов такого зондирования на глубину более 50 км. Он свидетельствует о том, что в структуре земли есть не только горизонтальные слои, но и крупные вертикальные разломы, которые могут доходить до мантии.
Знание особенностей распространения низкочастотного звука в океане, атмосфере и земле позволило разработать и создать эффективную международную систему контроля за выполнением договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний. Существует специальная схема расположения станций на земле и в океане, осуществляющих постоянный мониторинг и регистрирующих сейсмические, гидроакустические и инфразвуковые сигналы в атмосфере. Эти станции объединены в общую сеть и поэтому могут определить место и время события, приведшего к появлению того или иного сигнала.
Примером такой эффективности является обнаружение взрыва метеороида в небе над Челябинском 15 февраля 2013 года. Метеороид вошел в атмосферу под углом 20° со скоростью 18 км/с. По мере полета в атмосфере скорость метеороида уменьшалась и происходил его нагрев. Перед ним возникла ударная волна, в которой воздух был сильно сжат и разогрет. Метеороид разрушился, когда разность давлений на фронте ударной волны и на противоположной его стороне превысила предел прочности метеороида. Это разрушение (взрыв) сопровождалось вспышкой яркости излучения в течение пяти секунд. Максимум яркости наблюдался на высоте 23,3 км южнее Челябинска. Примерный эффективный диаметр метеороида равен 18 м, а его масса 11 000 тонн. Семнадцать станций зарегистрировали ударную волну этого взрыва. Последующий анализ позволил оценить эквивалент мощности взрыва в 2–3 кт тринитротолуола.
Современные проблемы применения медицинского ультразвука
Ультразвук мегагерцового диапазона частот достаточно хорошо распространяется в биологических тканях. Как известно, живые организмы почти на 90% состоят из воды. Поэтому скорость распространения звука в таких условиях близка к 1500 м/с, что соответствует скорости распространения звука в воде. Длина волны ультразвука на частоте 1 МГЦ равна при этом 1,5 мм, что обеспечивает достаточно высокое пространственное разрешение ультразвуковых методов.
Хорошо известно применение ультразвука в медицине для диагностики и исследования внутренних органов и суставов (УЗИ). Менее известны успехи в области ультразвуковой хирургии, хотя и здесь есть существенные результаты. Прежде всего это дробление и удаление камней из почек с помощью фокусированного воздействия ударными волнами — так называемая литотрипсия. Начиная с 1980-х годов литотрипсия является наиболее распространенной процедурой для удаления камней из почек. Другим быстро развивающимся направлением исследований является терапевтическое направление применения ультразвука, основное преимущество которого — лечебное воздействие внутри тела без повреждения окружающей ткани. Широкие возможности различных видов ультразвуковой терапии были продемонстрированы экспериментально, а некоторые из них уже нашли применение в клинической практике. Одним из примеров является интенсивный фокусированный ультразвук.
Рисунок 5 иллюстрирует основную идею применения фокусированного ультразвука. Акустическая интенсивность вблизи излучающего преобразователя достаточно низка, так что ткани не повреждаются. В фокальной области интенсивность заметно возрастает, и нагрев за счет поглощения волны достаточен для теплового разрушения белков ткани. Это позволяет неинвазивно «прижечь» место внутреннего кровотечения или вызвать некроз опухолевых тканей в глубоко расположенных областях человеческого тела. Наиболее перспективными, с точки зрения расширения применения ультразвуковых методов в медицине, являются гемостазис (остановка кровотечения), хирургия и стимуляция иммунного отклика. Можно также упомянуть ультразвуковой контроль и интенсификацию транспорта лекарств. Экспериментально было показано, что ультразвук может улучшать транспорт лекарств и генов через биологические барьеры: клетки, ткани и тромбы.
Рис. 5. Схема ультразвукового воздействия на биологические ткани. Пучок интенсивного фокусированного ультразвука используется для локализованного разрушения опухоли или остановки внутреннего кровотечения без повреждения окружающей ткани. Акустическая энергия, излучаемая ультразвуковым преобразователем, концентрируется в объем, примерно равный объему рисового зерна
Укажем на некоторые основные проблемы, которые нуждаются в решении для успешного применения интенсивного ультразвука в практике.
Одной из важных задач является получение больших значений амплитуды акустической волны в фокусе с учетом структуры человеческого тела. Усиление ультразвуковой волны при фокусировке необходимо для обеспечения высокой интенсивности в небольшой фокальной области, чтобы не повредить остальные участки ткани на пути распространения ультразвука. Ультразвуковой ожог кожи является одним из характерных побочных эффектов при применении интенсивного ультразвука, поскольку в коже коэффициент поглощения ультразвука в несколько раз выше, чем в ткани. Поэтому на этом участке акустическая интенсивность должна быть как можно более низкой. Такую процедуру возможно реализовать, применяя многоэлементные ультразвуковые антенны, излучение которых будет согласовано со структурой тела, по которой должно пройти излучение.
Важными также являются технические разработки по созданию хорошего акустического согласования ультразвукового излучателя с телом. Дело в том, что ультразвуковые излучатели делаются, как правило, из пьезоэлектрической керамики. И для того чтобы обеспечить наилучшую передачу звуковой энергии в человеческое тело, нужно согласовать условия прохождения звука от твердой пьезокерамики к мягким биологическим тканям. Для этого применяют специальные контактные смазки или жидкости. Например, по сравнению с вогнутыми источниками плоские УЗ преобразователи гораздо труднее сделать фокусирующими, но зато для них легче обеспечить согласование при непосредственном контакте с кожей. Поглощение в костях еще сильнее, вот почему важно минимизировать попадание на них ультразвука. Соответствующая технология предполагает использование многоэлементных фазированных антенн для осуществления электронной фокусировки. На рисунке 6 показано схематическое изображение такой антенны для фокусировки ультразвукового излучения в мозг через кости черепа.
Рис. 6. Схема ультразвукового транскраниального воздействия на мозг
Мозг является тем органом, где применение терапии с использованием фокусированного ультразвука имеет свои особенности. Принципиальной трудностью здесь является тот факт, что ультразвуковые волны плохо проходят сквозь черепную коробку из-за поглощения в кости и отражения на ее границах. Кроме того, кости черепа неоднородны по толщине и характеризуются более высокой (по сравнению с расположенными за ними мягкими тканями) скоростью звука, что приводит к трудно предсказуемым эффектам рефракции. Решение проблемы ультразвукового воздействия и визуализации через толстые кости черепа возможно при использовании разработанных в последнее время методов волновой физики, связанных с компенсацией потерь и аберраций при распространении волн в неоднородной среде. В основе лежит голографический принцип, согласно которому распределение характеристик волнового поля на некоторой поверхности в этом поле содержит информацию о всей трехмерной структуре поля, а также принцип обратимости недиссипативных волновых процессов во времени и связанный с этим метод обращения волнового фронта.
Метод обращения волнового фронта, применяемый в радиолокации и при исследовании структуры подводных акустических каналов в океане, предполагает использование пробной волны, которая, проходя по неоднородной среде, регистрируется многоэлементной антенной. Зарегистрированный сигнал имеет сложную пространственную и временную структуру, что отражает многолучевое распространение через неоднородную среду. Если на антенне обратить во времени фазовые задержки зарегистрированного сигнала и излучить сигнал с такой сложной пространственно-временной фазовой модуляцией, то излученный сигнал, проходя в обратном порядке через те же самые неоднородности среды, соберется, т.е. сфокусируется в точку излучения пробного сигнала. Для реализации такого подхода необходимо использовать многоэлементные приемоизлучающие антенны, управляемые мощными вычислительными процессорами, обеспечивающими в реальном времени сложную многоканальную обработку сигналов.
Обратим внимание на еще одну особенность, требующую учета при применении интенсивного фокусированного ультразвука, — это акустическая нелинейность. Дело в том, что в уже использующихся в практике системах ультразвуковой хирургии уровни акустической интенсивности в области фокуса достигают 10 000– 30 000 Вт/см 2 . При таких интенсивностях волна ведет себя нелинейным образом. Скорость распространения звуковой волны становится зависящей от ее фазы: волна в области сжатия имеет большую скорость распространения, чем в области разрежения. Поэтому в синусоидальной волне фаза сжатия догоняет фазу разрежения — в волне образуются разрывы и волна превращается в пилообразную, что в спектральном представлении соответствует обогащению монохроматического ультразвукового излучения высшими гармониками. Обогащение спектра излученного сигнала сказывается и на процессе дифракции. Дифракция и, соответственно, фокусировка ультразвукового излучения становятся нелинейными, т.е. амплитуднозависимыми процессами. Расстояние, на котором образуется разрыв в плоской гармонической волне с характерной для медицинских приложений частотой 1,5 МГц, составляет всего 3–5 мм. Этот масштаб соизмерим с размерами фокальной области ультразвукового пучка, поэтому при описании акустических полей таких систем безусловно необходимо учитывать нелинейные эффекты.