ГБОУ СПО КО УОР Выполнил: студент 1 курса Гаевой Богдан

ГБОУ СПО КО УОР
Звуковые волны. Ультразвук и его использование в технике и медицине.
Реферат по физике
Выполнил: студент 1 курса
Гаевой Богдан
Руководитель: учитаель информатики Фахретдинов Наиль Ринатович
г. Калининград 2015
2
ПЛАН
Звуковые волны ....................................................................................................... 4
Характеристики звука ............................................................................................. 5
Высота тона.............................................................................................................. 6
Как мы слышим ....................................................................................................... 7
Наружное ухо ........................................................................................................ 7
Среднее ухо ........................................................................................................... 8
Внутреннее ухо ..................................................................................................... 8
Слуховые проводящие пути ................................................................................ 9
Восприятие звука .................................................................................................. 9
Ультразвук ............................................................................................................. 10
Источники ультразвука......................................................................................... 11
Применение ультразвука ...................................................................................... 11
Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ) ..................... 11
Терапевтическое применение ультразвука в медицине. ................................ 12
Применение ультразвука в косметологии ....................................................... 12
Применение в производстве .............................................................................. 13
Приготовление смесей с помощью ультразвука ............................................. 13
Применение ультразвука в биологии ............................................................... 14
Применение ультразвука для очистки ............................................................. 14
Применение ультразвука в эхолокации ........................................................... 15
Применение ультразвука в расходометрии ..................................................... 15
Применение ультразвука в дефектоскопии ..................................................... 15
Ультразвуковая сварка ....................................................................................... 15
Применение ультразвука в гальванотехнике .................................................. 15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................... 16
3
Звуковые волны
Звук - это упругие продольные волны частотой от 20 Гц до 20000 Гц,
вызывающие у человека слуховые ощущения.
Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая
струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны.
Как возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить
струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним
концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или
металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда
пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает)
слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой воздуха,
прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении
пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои
воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение
прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям.
4
Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до
полного прекращения колебаний .
Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания
окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя
колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового
нерва, воспринимаемое нами как звук.
Скорость распространения звуковых волн в разных средах неодинакова.
Она зависит от упругости среды, в которой они распространяются.
Медленнее всего звук распространяется в газах. В воздухе скорость
распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она
может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры.
В безвоздушном пространстве звук не распространяется. В жидкостях звук
распространяется быстрее. В твердых телах – еще быстрее. В стальном
рельсе, например, звук распространяется со скоростью » 5000 м/с.
При распространении звука в атомы и молекулы
колеблются вдоль направления распространения волны, значит звук продольная волна.
Характеристики звука
1. Громкость. Громкость зависит от амплитуды колебаний в звуковой
волне. Громкость звука определяется амплитудой волны.
5
За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема
Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его
мощность в 10 раз больше порога слышимости.
На практике громкость измеряют в децибелах (дБ).
1 дБ = 0,1Б. 10 дБ – шепот; 20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;
70 дБ – шум пишущей машинки;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м
130 дБ – порог болевого ощущения.
Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной
перепонки.
Высота тона
Высота звука определяется частотой волны, или частотой колебаний
источника звука.
Звуки человеческого голоса по высоте делят на несколько диапазонов:

бас – 80–350 Гц,

баритон – 110–149 Гц,

тенор – 130–520 Гц,

дискант – 260–1000 Гц,

сопрано – 260–1050 Гц,

колоратурное сопрано – до 1400 Гц.
6
Человеческое ухо способно воспринимать упругие волны с частотой
примерно от 16 Гц до 20 кГц.
Как мы слышим
Слуховой анализатор человека - ухо - состоит их четырех частей:
Наружное ухо
К наружному уху относятся ушная раковина, слуховой проход и
барабанная перепонка, которая закрывает внутренний конец слухового
прохода. Слуховой проход имеет неправильную изогнутую форму. У
взрослого человека длина его составляет около 2,5 см, а диаметр около 8 мм.
7
Поверхность слухового прохода покрыта волосками и содержит железы,
выделяющие ушную серу, которая необходима для поддержания влажности
кожи. Слуховой проход обеспечивает также постоянную температуру и
влажность барабанной перепонки.
Среднее ухо
Среднее ухо – это заполненная воздухом полость за барабанной
перепонкой. Эта полость соединяется с носоглоткой посредством
евстахиевой трубы – узкого хрящевого канала, который обычно находится в
закрытом состоянии. Глотательные движения открывают евстахиеву трубу,
что обеспечивает поступление воздуха в полость и выравнивание давления
по обе стороны барабанной перепонки для ее оптимальной подвижности. В
полости среднего уха находятся три миниатюрные слуховые косточки:
молоточек, наковальня и стремя. Одним концом молоточек соединен с
барабанной перепонкой, другой его конец связан с наковальней, которая, в
свою очередь соединена со стременем, а стремя с улиткой внутреннего уха.
Барабанная перепонка постоянно колеблется под действием улавливаемых
ухом звуков, а слуховые косточки передают ее колебания во внутреннее ухо.
Внутреннее ухо
Во внутреннем ухе содержится несколько структур, но к слуху отношение
имеет только улитка, получившая свое название из-за спиральной формы.
Улитка разделена на три канала, заполненные лимфатическими жидкостями.
Жидкость в среднем канале отличается по составу от жидкости в двух других
каналах. Орган, непосредственно ответственный за слух (Кортиев орган),
находится в среднем канале. Кортиев орган содержит около 30000
волосковых клеток, которые улавливают колебания жидкости в канале,
вызванные движением стремени, и генерируют электрические импульсы,
которые по слуховому нерву передаются к слуховой зоне коры головного
мозга. Каждая волосковая клетка реагирует на определенную звуковую
8
частоту, причем высокие частоты улавливаются клетками нижней части
улитки, а клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней
части улитки. Если волосковые клетки по каким-либо причинам гибнут,
человек перестает воспринимать звуки соответствующих частот.
Слуховые проводящие пути
Слуховые проводящие пути – это совокупность нервных волокон,
проводящих нервные импульсы от улитки к слуховым центрам коры
головного мозга, в результате чего возникает слуховое ощущение. Слуховые
центры расположены в височных долях головного мозга. Время, потраченное
на прохождение слухового сигнала от внешнего уха к слуховым центрам
мозга, составляет около 10 миллисекунд.
Восприятие звука
Ухо последовательно преобразует звуки в механические колебания
барабанной перепонки и слуховых косточек, затем в колебания жидкости в
улитке и, наконец, в электрические импульсы, которые по проводящим путям
центральной слуховой системы передаются в височные доли мозга для
распознавания и обработки.
Мозг и промежуточные узлы слуховых проводящих путей извлекают не
только информацию о высоте и громкости звука, но и другие характеристики
звука, например, интервал времени между моментами улавливания звука
правым и левым ухом – на этом основана способность человека определять
направление, по которому приходит звук. При этом мозг оценивает как
информацию, полученную от каждого уха в отдельности, так и объединяет
всю полученную информацию в единое ощущение.
В нашем мозгу хранятся «шаблоны» окружающих нас звуков – знакомых
голосов, музыки, опасных звуков и т.д. Это помогает мозгу в процессе
обработки информации о звуке быстрее отличить знакомые звуки от
незнакомых. При снижении слуха мозг начинает получать искаженную
9
информацию (звуки становятся более тихими), что приводит к ошибкам в
интерпретации звуков. С другой стороны, нарушения в работе мозга в
результате старения, травмы головы или неврологических болезней и
расстройств могут сопровождаться симптомами, похожими на симптомы
снижения слуха, например, невнимательность, отрешенность от окружения,
неадекватная реакция. Для того чтобы правильно слышать и понимать звуки,
необходима согласованная работа слухового анализатора и мозга. Таким
образом, без преувеличения можно сказать, что человек слышит не ушами, а
мозгом!
Животные в качестве звука воспринимают волны иных частот.
Ультразвук
Ультразву́к — звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемым
человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20
000 Герц.
Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое
использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко
10
применяется в различных физических и технологических методах. Так, по
скорости распространения звука в среде судят о её физических
характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет
с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические
характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной
теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел
Источники ультразвука
Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и
биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков КГц до единиц МГц.
Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических
преобразователей, например, из титанита бария. В тех случаях, когда
основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно
используются механические источники ультразвука. Первоначально все
ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки,
сирены).
В природе УЗ встречается как в качестве компонентов 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 и общения (киты,дельфины, летучие
мыши, грызуны, долгопяты).
Применение ультразвука
Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)
Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях
человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими
лучами и простотой использования в сравнении смагнитно-резонансной
11
томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния
внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.
Терапевтическое применение ультразвука в медицине.
Помимо широкого использования в диагностических целях
(см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине (в
том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения.
Ультразвук обладает следующими эффектами:

противовоспалительным, рассасывающим действиями;

анальгезирующим, спазмолитическим действиями;

кавитационным усилением проницаемости кожи.
Фонофорез — комбинированный метод лечения, при котором на ткани
вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии (применяемого,
например, при УЗИ) наносится лечебное вещество (как медикаменты, так и
вещества природного происхождения). Предполагается, что ультразвук
помогает лечебному веществу глубже проникать в ткани.
Применение ультразвука в косметологии
Многофункциональные косметологические аппараты, генерирующие
ультразвуковые колебания с частотой 1МГц, применяются для регенерации
клеток кожи и стимуляции в них метаболизма.С помощью ультразвука
производится микромассаж клеток, улучшается микроциркуляция крови и
лимфодренаж. В результате повышается тонус кожи, подкожных тканей и
мышц. Ультразвуковой массаж способствует выделению биологических
активных веществ, ликвидирует спазм в мышцах, в результате чего
разглаживаются морщины, подтягиваются ткани лица и тела. С помощью
ультразвука осуществляется наиболее глубокое введение косметических
средств и препаратов, а также выводятся токсины и очищаются клетки.
12
Применение в производстве
На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической
детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной
звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный
вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое
долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного
проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле
и быстрее, чем фрезерным станком.
Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических
деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в
мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом
станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых
сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его
тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку
производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой
волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого
порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же
формы, как и у долота.
Приготовление смесей с помощью ультразвука
Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей
(гомогенизации). Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд
обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и
воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в
мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные
эмульсии играют большую роль в современной промышленности, это: лаки,
краски, фармацевтические изделия, косметика.
13
Применение ультразвука в биологии
Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в
биологических исследованиях, например, при необходимости отделить
клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких
внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью
изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое
применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать
мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук
даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное
целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции
растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами
(рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним
чрезвычайно легко работать.
Применение ультразвука для очистки
Применение ультразвука для механической очистки основано на
возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных
эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое
давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и
схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен
как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет
низкую частоту и повышенную мощность.
В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и
посуды применяются ультразвуковые ванны заполоненные растворителем
(вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже
корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).
В быту, для стирки текстильных изделий, используют специальные,
излучающие ультразвук устройства, помещаемые в отдельную ёмкость.
14
Применение ультразвука в эхолокации
В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для
обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков
рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна,
отразившаяся от дна.
В автомобилях применяются ультразвуковые парктроники.
Применение ультразвука в расходометрии
Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 1960-х годов в
промышленности применяются ультразвуковые расходомеры.
Применение ультразвука в дефектоскопии
Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет
использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих
материалов. В последнее время получает развитие направление
ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный
слой материала с хорошей разрешающей способностью.
Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при
воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для
соединения деталей, нагрев которых затруднён, при соединении разнородных
металлов, металлов с прочными окисными плёнками (алюминий,
нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.), при
производстве интегральных микросхем.
Применение ультразвука в гальванотехнике
Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и
улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.
15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Интернет источники
1. http://infofiz.ru/joom1/index.php?option=com_content&view=article&id=1
21:lk15f&catid=5:ml1s&Itemid=2
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1
%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA#.D0.9F.D1.80.D0.B
8.D0.BC.D0.B5.D0.BD.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D0.B5_.D0.B2_.D0.BF.D1.8
0.D0.BE.D0.B8.D0.B7.D0.B2.D0.BE.D0.B4.D1.81.D1.82.D0.B2.D0.B5
16