Инфразвуковые волны не слышны для человека, так как их частота находится ниже 20 Гц. Они могут порождать природные явления, связанные с передвижением больших масс, таких, как землетрясение, извержение вулкана, лавина в горах и морские волны, а также источники звука, «рожденные» самим человеком, например, гудение промышленных установок или гул ветряных электростанций. К этому же явлению относится краткосрочное, но чрезвычайно громкое событие, например, старт ракеты. Некоторые домашние помощники, например, посудомоечная машина, холодильник или газовый котел, имеют в своей «палитре» звуков инфразвуковой компонент.

Ультразвук также выходит за пределы частот, воспринимающихся человеческим ухом, и находится выше 20 кГц. К естественным источникам относятся голоса животных, таких, как дельфины и летучие мыши, которые используют ультразвук для локализации опасности и определения места нахождения добычи. Люди на протяжении десятилетий используют ультразвук во многих областях жизнедеятельности, включая промышленность, медицину и научные исследования.

В частности, в медицине ультразвук используется для создания изображений, помогающих сделать видимыми органы и ткани, находящиеся внутри человеческого тела. Кроме того, он применяется в физиотерапии для лечения заболеваний мышц и суставов. На промышленных предприятиях ультразвук может быть использован во время проведения сварочных работ, очищения загрязненных деталей оборудования, или для измерения расстояния от одного объекта до другого. Известно, что ультразвуковые волны имеют слишком короткую длину волны, чтобы распространяться на такие же большие расстояния, что и инфразвук. Поэтому основная сфера их применения относится к производствам, где особенно важно получение точных целенаправленных результатов.

Звуковые волны представляют собой механические колебания, которые распространяются в проводящей среде в форме волны, в виде колебаний давления и плотности. Это происходит в процессе наложения звуковой волны на атмосферное давление. Наш слух способен воспринимать эти изменения давления и таким образом предоставлять акустическую информацию.

Известно, что звук может влиять на нашу жизнь самыми разными способами. Например, звуки могут быть приятными (музыка и звуки природы), они помогают нам расслабиться и улучшить самочувствие. С другой стороны, источники звука могут производить шум, который негативно влияет на субъективное самочувствие. Интенсивное уличное движение в городе, гул на строительных объектах может приводить к слишком высокой шумовой нагрузке. Помимо этих повседневных источников шума, связанных с деятельностью человека, существуют и природные, например, гром во время грозы, грохот водопада или резкие крики животных, которые могут и успокаивать, и провоцировать беспокойство.

Шум и полезный звук — понятия, которые используются в акустике, чтобы различать нежелательные и неприятные (шумовой сигнал) или желаемые (полезный сигнал) источники звука. Полезный звук понимается как маркер определенной цели (речь, музыка, сигналы тревоги), он имеет важное значение во многих областях жизнедеятельности чевлоека, от коммуникации до обеспечения безопасности. Шум — нежелательный звук, который может ухудшить качество источника полезного сигнала, и негативно повлиять на самочувствие людей. Нередко он является производной от основного, полезного звукового сигнала, например, при движении автомобиля и стука пневматического молотка. Поэтому во многих ситуациях просто невозможно полностью избежать мешающего шума. Деление зависит от ситуации, например, музыка может быть желательна, если нужно расслабиться, но если она мешает беседе или засыпанию, то воспринимается уже как шум.

Распространение звука в разных средах

Распространение звука — интереснейшее явление, которое демонстрирует разные свойства в разных проводящих средах. Звуковым волнам всегда требуется какое-то вещество-посредник для распространения. Они могут двигаться во множестве проводящих сред: воздухе, воде, сквозь твердые материалы, такие, как металл или дерево. Распространение звука в вакууме невозможно, поэтому, например, в космосе царит полная тишина.

Распространение звука в воздухе

Воздух представляет собой проводящую среду, которая чаще всего используется для передачи звука. Воздух, который нас окружает, преимущественно состоит из азота, кислорода, аргона, диоксида углерода, водяного пара и незначительного количества других газов. Звуковые волны возникают при изменении давления, они воспринимаются воздухом и равномерно (в виде сферы) передаются во все стороны, если они не отражаются, не приглушаются или не поглощаются. Скорость, с которой звук движется в воздухе, зависит от его температуры и влажности.

Специалисты-акустики обычно работают со средней скоростью, которая при температуре 20°С и влажности воздуха 50% составляет примерно 343 м/с в свободном звуковом поле. При более высокой температуре или при пониженном давлении воздуха скорость распространения звука увеличивается, в то время как при понижении температуры или при повышении давления уменьшается. Например, в Сибири при температуре воздуха — 50°С скорость звука составляет всего 300 м/с.

Распространение звука в воде

Звуковые волны очень эффективно движутся и в воде, поскольку она имеет более высокую плотность, чем воздух. Скорость распространения звука в воде составляет примерно 1500 м/с, что примерно в пять раз выше, чем в воздухе. Это связано с тем, что звуковые волны способны продвигаться быстрее в более плотной среде. Вместе с тем, приглушение звука за счет повышенной вязкости воды гораздо выше.

Вода и воздух — две среды, в которых звук распространяется по-разному. Вода имеет гораздо большую плотность и скорость звука, чем воздух, поэтому при переходе от одной среды к другой звуковые волны почти полностью отражаются. Это создает серьезные проблемы для связи между подводными и надводными объектами, например, для передачи данных о состоянии океана или для изучения морской жизни. Как же можно преодолеть этот барьер и обеспечить эффективную звуковую связь между водой и воздухом?

Звуковая магия: как создать слой, который позволяет передавать звук и изображения между водой и воздухом

Ученые из Института акустики Китайской академии наук (IACAS) нашли решение этой задачи, используя новый подход, основанный на широкополосном импедансном согласовании. Их исследование было опубликовано в журнале Applied Physics Letters.

Схема водно-воздушной акустической связи, реализованной с помощью предложенного слоя согласования градиентного импеданса. Автор: IACAS Источник: phys.org

Импеданс — это физическая величина, которая характеризует сопротивление среды распространению звука. Чем больше разница в импедансе между двумя средами, тем меньше звука проходит через границу между ними. Для того, чтобы увеличить звуковую передачу, необходимо сделать импеданс сред как можно ближе друг к другу. Однако, это невозможно сделать просто путем изменения свойств воды или воздуха, так как они слишком различны по своей природе. Поэтому ученые придумали использовать специальный слой, который будет служить своего рода переходником между водой и воздухом.

Этот слой состоит из двух частей: воздушной и водной. Каждая часть имеет свою структуру, состоящую из мелких ячеек, заполненных различными материалами. Эти ячейки образуют так называемые метафлюиды — искусственные среды, которые имеют необычные акустические свойства. Например, воздушный метафлюид может иметь скорость звука, меньшую, чем в обычном воздухе, а водный метафлюид может иметь скорость звука, большую, чем в обычной воде. Таким образом, можно создать градиент импеданса, который будет плавно изменяться от воды к воздуху, минимизируя отражение звука.

Ученые экспериментально продемонстрировали, что их слой может усилить звуковую передачу между водой и воздухом на 16,7 децибел в диапазоне частот от 880 до 1760 герц. Это означает, что звук становится в 45 раз сильнее, чем без слоя. Кроме того, ученые показали, что их слой может быть использован для передачи изображений с поверхности в толщу воды. Они закодировали многоцветную картинку на звуковых частотах и отправили ее через слой в воду. Оказалось, что полученная в воде картинка практически не отличается от исходной, в то время как при передаче без слоя, без искажений удалось декодировать только 45% картинки.

Экспериментальная демонстрация водно-воздушной акустической связи на основе широкополосного согласования импеданса. Автор: IACAS Источник: phys.org

Это исследование открывает новые возможности для звуковой связи между водой и воздухом, которая может быть полезна для различных приложений в области океанографии, экологии, геологии и других. Ученые надеются, что их метод импедансного согласования может быть расширен на другие случаи, когда необходимо передавать звук между средами с очень разными свойствами.

Автор: Bing image creator