Infradźwięki i Ultradźwięki - Aleksandra Kwapisz kl.8

Infradźwięki

Infradźwięki, poddźwięki – fale akustyczne, których częstotliwość jest za niska, aby usłyszał je człowiek. Za dolną granicę słyszalnych częstotliwości, jednocześnie górną granicę infradźwięków, przyjmuje się częstotliwość 20 Hz. Hałas w którego widmie występują składowe o częstotliwościach infradźwiękowych określa się hałasem infradźwiękowym i hałasem niskoczęstotliwościowym. Gdy akustyczna fala sinusoidalna jest odtwarzana w idealnych warunkach i przy bardzo dużej głośności, ludzki słuch będzie w stanie zidentyfikować dźwięki tak niskie, jak 12 Hz, a poniżej 10 Hz można odczuć pojedyncze cykle dźwięku, a także wrażenie ciśnienia w bębenkach usznych[5]. Niektóre zwierzęta jak słonie i wieloryby słyszą infradźwięki i wykorzystują je do komunikacji na duże odległości.

Pojęcie infradźwięków Infradźwięki to z fizycznego punktu widzenia wszystkie dźwięki poniżej progu słyszalności, tj. 20 Hz. Jest to trochę nieścisłe twierdzenie, gdyż przy dostatecznie wysokich poziomach ciśnienia akustycznego infradźwięki odbierane są przez ucho i układ przedsionkowy. W niektórych opracowaniach za górną granicę infradźwięków przyjęto 16 Hz. Ostatecznie ta rozbieżność została uporządkowana poprzez wprowadzenie odpowiednich norm: według nieaktualnej już polskiej normy PN-86/N-01338:1986 infradźwiękami nazywano dźwięki lub hałas, którego widmo częstotliwościowe zawarte jest w zakresie od 2 Hz do 16 Hz, w nowelizacji PN-Z-01338:2010 określono zakres hałasu infradźwiękowego dla dźwięków z przedziału od 1 Hz do 20 Hz według ISO 7196 infradźwiękami nazywamy dźwięki lub hałas, którego widmo częstotliwościowe zawarte jest w zakresie od 1 Hz do 20 Hz. Zgodnie z normą PN-86/N-01338, w odniesieniu do infradźwięków sztucznego pochodzenia, wprowadzono pojęcie hałasu infradźwiękowego oraz hałasu niskoczęstotliwościowego. Charakterystyka Infradźwięki mają bardzo dużą długość fali – powyżej 17 m, przez to słabo tłumione mogą rozchodzić się na znaczne odległości. Drugim problemem jest ich słabe tłumienie poprzez ekrany akustyczne.

Źródła infradźwięków Naturalne Naturalne źródła infradźwięków (z przedziału 0,01÷20 Hz[4]) to: bolidy, duże wodospady, fale morskie lawiny, silny wiatr, pioruny tornada, trzęsienia ziemi (fale sejsmiczne), wulkany zorza polarna, niektóre gatunki zwierząt (np.: słonie, żyrafowate, hipopotamy, wieloryby i aligatory), pękający lodowiec. Antropogeniczne Sztuczne (wytworzone przez ludzi) źródła infradźwięków to: ciężkie pojazdy samochodowe, drgania mostów, eksplozje, wybuchy atomowe i termojądrowe, głośniki odrzutowce i śmigłowce, silniki rakietowe, sprężarki tłokowe, pompy próżniowe i gazowe, turbodmuchawy, elektrownie wiatrowe, wentylatory przemysłowe, młoty kuźnicze, wieże wiertnicze, rurociągi, urządzenia chłodzące i ogrzewające powietrze (np.: klimatyzatory i lodówki). Oddziaływanie Badania nad oddziaływaniem infradźwięków są prowadzone głównie na zwierzętach, z tego względu nie został dokładnie poznany wpływ infradźwięków na człowieka. Wiadomo, że powodują one u ludzi wrażenia słuchowe i pozasłuchowe. Odbierane są przez narząd słuchu, proprioreceptory i mechanoreceptory. Wiele opracowań wskazuje, że przy narażeniu na wysokie poziomy infradźwięków mogą wystąpić: poczucie ucisku w uszach, dyskomfortu, nadmiernego zmęczenia, senności oraz zaburzenia sprawności psychomotorycznej i funkcji fizjologicznych, a nawet apatii i depresji. Badania prowadzone na zwierzętach wykazały, że infradźwięki o bardzo dużym natężeniu mogą doprowadzić do poważnego uszkodzenia struktur ucha. Jednak nie ma wiarygodnych badań wskazujących na szkodliwość występujących w życiu codziennym źródeł infradźwięków. Dopiero narażanie na bardzo wysoki poziom takiego typu hałasu może być niebezpieczne dla zdrowia. Wyniki dotychczasowych badań w tym zakresie są niejednoznaczne, a wrażliwość poszczególnych osób na ekspozycję infradźwiękową jest bardzo zróżnicowana.

Ultradźwięki

Ultradźwięki, naddźwięki – fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek. Za górną granicę słyszalnych częstotliwości, jednocześnie dolną granicę ultradźwięków, uważa się częstotliwość 20 kHz, choć dla wielu osób granica ta jest znacznie niższa. Za umowną, górną, granicę ultradźwięków przyjmuje się częstotliwość 1 GHz. Zaczyna się od niej zakres hiperdźwięków Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, szczur, delfin, wieloryb, chomik czy nietoperz. Spis treści 1 Zastosowania ultradźwięków 2 Ultradźwięki w naturze 3 Metody wytwarzania ultradźwięków 4 Uwagi 5 Przypisy Zastosowania ultradźwięków Ultradźwięki dzięki małej długości fali pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Urządzenie, które umożliwia obserwację głębin morskich to sonar[a]. Jego zastosowanie to lokalizacja wszystkich obiektów zanurzonych w wodzie. Sonary wykorzystywano w okrętach podwodnych. Ultradźwięki znajdują także zastosowanie w medycynie. Za pomocą urządzenia generującego i rejestrującego fale ultradźwiękowe (ultrasonograf) można uzyskać obraz narządów wewnętrznych. Fale dźwiękowe znalazły szerokie zastosowanie np. w stomatologii do tzw. skalingu, tj. ultradźwiękowego usuwania kamienia nazębnego. Ultradźwięki pozwalają też na pomiar odległości przy pomocy dalmierza ultradźwiękowego, w zakresie od 1 do 10 m. Jeżeli wykorzysta się silne źródło ultradźwięków, to mogą one niszczyć, rozgrzewać niektóre materiały, co pozwala na obróbkę powierzchniową wytwarzanych przedmiotów (obróbka ultradźwiękowa). Wykorzystując je można również prowadzić nieniszczące badania właściwości materiałów i połączeń. Ultradźwięki były też stosowane w pamięciach rtęciowych we wczesnych komputerach w latach pięćdziesiątych XX w. Ultradźwięki mają zastosowanie również w zabiegach kosmetycznych w takich zabiegach jak peeling kawitacyjny i sonoforeza oraz w rehabilitacji medycznej w zabiegach fizykoterapeutycznych. Ultradźwięki mogą mieć zastosowanie w produkcji żywności w wielu technologiach jako działanie pomocnicze lub główne. Istnieje wiele badań na temat ich korzystnego wpływu na proces, m.in. zmniejszenie zużycia energii, skrócenie czasu trwania, niższy spadek wartości odżywczych. Poniżej podano przykłady wykorzystania ultradźwięków i zalety w porównaniu do technologii klasycznych obecnie stosowanych.

Ultradźwięki są również wykorzystywane przez istoty żywe – wiele gatunków posługuje się nimi w celu echolokacji. Na przykład większość nietoperzy wytwarza ultradźwięki krtanią i emituje je przez pysk lub nos (rzadziej), wiele gatunków posiada również duże i bardzo sprawne uszy. Są one zdolne do wykrywania owadów latających w ciemnościach (ćmy). Niektóre owady bronią się przed atakiem nietoperza dzięki zdolności do detekcji pochodzących od niego ultradźwięków. Nietoperz tuż przed atakiem wysyła w kierunku ofiary specjalną skupioną wiązkę sygnałów echolokacyjnych, aby zwiększyć precyzję pomiaru odległości. Jeżeli owad usłyszy taki dźwięk, natychmiast składa skrzydła i spada na ziemię, dzięki czemu nietoperz nie może go już odnaleźć. Ultradźwięki wykorzystują również walenie. Wieloryby używają ich do echolokacji w podobny sposób jak to się odbywa w technice morskiej. Dzięki temu mogą namierzać ławice ryb lub plankton. Najdoskonalszy zmysł echolokacji posiadają delfiny. Na ich głowach znajduje się rezonator pozwalający na generowanie precyzyjnie ukierunkowanego strumienia ultradźwięków. Jednocześnie ogromne mózgi delfinów są w stanie przetworzyć uzyskane w ten sposób dane w trójwymiarowy model otoczenia. Badania nad tymi ssakami wykazały, że poprzez ultradźwięki postrzegają one swoje środowisko z taką precyzją jak my widzimy nasz świat oczami odbierającymi światło. Jednak delfiny są w stanie nie tylko dostrzec wszystko wokół siebie, ale również mogą zajrzeć do wnętrza innych istot. Ssaki te wykorzystują swoje zdolności podczas polowania. Mogą odnaleźć ukryte pod piaskiem zwierzęta. Metody wytwarzania ultradźwięków mechaniczne – układy drgające (struny, płytki sprężyste, piszczałki). Wykorzystują one drgania samego tworzywa albo przepływ gazów czy cieczy. Typowe przykłady to syreny ultradźwiękowe i piszczałka Pohlmana-Janowskiego, wykorzystywana do wytwarzania rozmaitych emulsji w chemii i biotechnologii. termiczne – poprzez wyładowania elektryczne w płynach, poprzez ciągle lub impulsowe podnoszenie temperatury przewodników prądu. magnetostrykcja – zmiana długości rdzenia elektromagnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid nawinięty na ten rdzeń. odwrócenie efektu piezoelektrycznego – polega na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn kryształu kwarcu lub innego minerału szybko zmiennego napięcia elektrycznego. Prowadzi to do rozszerzenia lub skurczenia płytki i do powstania drgań o odpowiedniej częstotliwości. optyczne – laserem można wytworzyć fale sprężyste w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwiękowych aż do zakresu hiperdźwiękowego. Uwagi Sonary mogą pracować nie tylko w zakresie ultradźwięków, ale także dźwięków słyszalnych i infradźwięków.