Инфразвук и ультразвук. Вопросы обеспечения единства измерений

Подобно инфракрасному и ультрафиолетовому оптическому излучению, не воспринимаемому невооруженным человеческим глазом, мы обозначаем этими терминами звуковые колебания слишком низких или слишком высоких частот, также не воспринимаемые невооруженным человеческим ухом.

Рассмотрение вопроса я начну с инфразвука и потому, что вопросы, материалы и сведения, относящиеся к инфразвуку, обсуждаются реже, чем вопросы, относящиеся к ультразвуку и потому, что при обсуждении вопросов, связанных с использованием шкалы частот любых колебаний, принято двигаться от низких частот (нулевой частоты) к более высоким.

Инфразвуками мы называем колебания воздуха и воды, не слышимые человеческим ухом, с частотами ниже 12-16 герц; есть сведения, что слоны хорошо слышат и издают такие звуки, возможно с частотами до герца. У них очень большие уши и хобот, как генератор звука. Это относится и к крупным китам (хотя у них нет наружных ушей, но есть большие внутренние полости). На днях в России утвержден усовершенствованный первичный государственный эталон единицы звукового давления в воде, низшая граница его диапазона одна тысячная герца. Средства измерений звукового давления в воздушной среде обеспечены эталонами, начиная с сотой герца. В чем причина такого внимания метрологии измерению параметров инфразвуковых колебаний? Конечно не обеспечение интересов слонов и китов и не прямое научное любопытство, хотя оно также имеет место. В небольшой статье невозможно обрисовать всю проблему. Я приведу несколько конкретных примеров.

В течение тысячелетий инфразвуковые колебания излучали крылья ветряных мельниц. 0,5-1,0 оборотов в секунду и четыре крыла рождают колебания воздуха в диапазоне 2-4 герца. А четыре герца это α-ритм человеческого организма и такие колебания небезразличны для здоровья людей. Они могут вызывать подавленное, иногда паническое состояние. Может быть, Дон Кихот не зря ассоциировал ветряные мельницы с враждебными великанами? Может быть, его больной мозг обладал повышенной чувствительностью к инфразвукам?

Встречаются и шестикрылые мельницы. Их спектр выше. Появляется составляющая с частотой около 6 герц.

Совсем другие мельницы были распространены на Востоке. Представьте себе два полых полуцилиндра и смещенных друг относительно друга и вращающихся вокруг общей вертикальной оси. Такая мельница безразлична к направлению ветра. Ее спектр другой. Очевидно, в нем должен присутствовать дискрета 1-1,5 Гц и 2-3 Гц.

Сейчас в Бельгии и Нидерландах используются мощные ветрогенераторы электрической энергии. Их гигантские башни увенчаны, чаще всего, трехлопастными крыльями. Диапазон частот тот же 1-3 герца, но мощность возмущения воздуха гораздо больше. «Зеленые» уже выражают свое беспокойство этим обстоятельством.

Инфранизкие частоты, безусловно, генерируют торнадо, смерчи и ураганы. Их нужно измерять (или будет нужно измерять в ближайшие годы). Существенно (это относится и к суше и к морю) инфразвуки не всегда гармонические, синусоидальные колебания. Они «насыщены» и высшими гармониками и субгармониками. И их спектр нужно исследовать.

Теперь нырнем в океанские глубины. С каждым годом становится труднее и затратнее ловить рыбу. А, может быть, большие косяки рыб испускают инфразвуки, их можно находить не только с помощью ультразвуковых гидролокаторов. Ведь инфразвуки в воде распространяются на сотни и тысячи километров. Теперь перейду к подводным лодкам. Они далеко не всегда с большой скоростью несутся под водой. Подбираясь к цели или к месту длительного базирования, они «крадутся» в режиме минимальной шумности со скоростью 2-4 узла (2-4 морские мили в час). Их гребной вал (или валы) делают 20-30 оборотов в минуту, что соответствует «валовой частоте» 0,3-0,5 герца. А пяти или семилопастный винт генерирует «лопастную частоту» 2-3,5 герца. Но и это не все.

В годы Великой Отечественной войны посты наблюдения (и гражданские лица) различали советские и немецкие бомбардировщики по прерывистому их звуку. Дело в том, что немецкие техники регулировали числа оборотов двух моторов бомбардировщика на почти полное совпадение, с разностью, соответствующей 1-2 герцам. Именно такие разностные колебания и ощущали люди. Наши моторы, к сожалению, регулировались хуже и разности частоты были выше. Сейчас в авиации такой проблемы нет, но она есть в военно-морском флоте. Существуют двухреакторные, двухвальные и двухвинтовые атомные и обычные подводные лодки. Их разностные частоты могут уходить в диапазон сотых долей герца.

И это еще не все. Волны цунами тоже генерируют инфразвуки. Их измерение, анализ их спектра, возможно, один из путей их своевременного обнаружения.

В океане существуют одиночные гигантские волны, сотни и тысячи лет они уничтожали бесследно гребные суда и гордые, прекрасные парусники. Да и не все современные суда способны выдержать их удар. А это тоже область инфразвука.

Иван Ефремов в своем фантастическом романе «Туманность Андромеды» описал трагическую встречу людей на планете железной звезды с созданием, испускающим мощный инфразвук.

Так что проблема измерения инфразвука весьма серьезна и актуальна и с общенаучной и с метрологической точек зрения. Приведу пример из реальной земной действительности.

В прошлом веке пользовался большой известностью американский физик-экспериментатор, автор капитального труда «Физическая оптика» и большой любитель всякого рода шуток и розыгрышей Роберт Вуд. С его именем связана одна «инфразвуковая» история.

Где-то в США (где, не помню) ставили пьесу. По ее ходу на сцене на несколько секунд гас свет и действие перемещалось в прошлое на несколько десятков лет. Режиссеру хотелось чем-то обозначить для зрителей этот момент. Вуд охотно включился в процесс и сконструировал громадную органную трубу с резонансной частотой около 4 Гц. На очередной репетиции (при полном зале) ее включили в момент затемнения. Как пишет автор книги о Вуде Р.В. Сибрук, «волна паники охватила зрителей». Трубу выключили и демонтировали.

Теперь перейду к ультразвуку. Поразительный почти невероятный факт. Еще в средние века люди с пользой для себя применяли ультразвук. Причем люди, не имевшие никакого понятия о физике звука, даже просто неграмотные. Речь идет о браконьерах. Они, по крайней мере, в Лиглии использовали ультразвуковой «свисток браконьера». Неизвестный нам гений нашел, что животные, конкретно, собаки, слышат звуки более высокой частоты, чем человек, а, уменьшая размеры резонатора обычного свистка можно получить очень высокие звуковые колебания. Пользуясь таким свистком, браконьер мог управлять своей собакой неслышно для стражников. А их реакция была простой: человек в королевском лесу с собакой — браконьер. Без собаки — безобидный сборщик хвороста и ягод. А наказание за браконьерство было жестоким — смертная казнь. Цель оправдывала средства. Я никогда не держал в руках свисток браконьера. Полагаю, что он генерировал звук с частотой 25-35 кГц.

Применение ультразвука в науке, технике и жизни безгранично. Даже неясно, как об этом можно написать в короткой статье.

Это и получение сведений о поверхности изделий и воздействие не нее — очистка, подготовка поверхности к выполнению сложных технологических процессов (включая область нанотехнологий).

Дефектоскопия — выявление внутренних дефектов в различных твердых телах, включая металлические детали. Это особенно важно для авиации и космической техники.

В России предполагается разработка двух новых государственных эталонов: ГЭТ единиц скоростей распространения продольных ультразвуковых волн в твердых телах. Диапазон частот, в котором должен работать эталон 0,5-25 МГц; и ГЭТ единиц амплитуды ультразвукового смещения колебательной скорости частиц поверхности твердого тела и коэффициента электроакустического преобразования в диапазоне частот 0,3-3,0 МГц.

Особое внимание уделяется применению ультразвука в медицине для диагностики и лечения в стоматологии, офтальмологии, урологии. Появился даже отдельный термин «медицинский ультразвук».

Речь идет о таких процедурах, как ультразвуковая диагностика (УЗИ), прогревание и микромассаж тканей тела ультразвуком; липотрипция — разрушение (раздробление) в почках, мочевыводящих путях, желчном пузыре.

Здесь важно не только звуковое давление, но и мощность ультразвука и геометрия пучка.

Во многих странах, включая Россию, созданы эталоны, измеряющие мощность ультразвука в диапазоне до 15 и более МГц. В России это ГЭТ 169-2005. На очереди эталоны для измерения ультразвукового давления в этом же диапазоне частот и сравнительно высоких уровнях сигналов.

Я специально «перепрыгнул» область привычной акустики, от 10-12 Гц до 16-20 кГц. Эта тема понятна и хорошо «проработана» и наукой и приборостроением.

Поверочная схема для измерения звукового давления в воздухе, базирующаяся на ГЭТ 19-94 распространяется на диапазон частот от двух герц до 100 кГц. Аналогично, в воде поверочная схема, базирующаяся на ГЭТ 55-2008, охватывает диапазон от 10-3 до 107 Гц. Обе поверочные схемы с избытком охватывают диапазон «слышиваемой акустики».

Значимость акустических измерений постоянно растет. Человечество шумит все интенсивнее.

Серьезно говорят и пишут об акустическом загрязнении атмосферы. Конструкторы работают над уменьшением уровня шума самолетов, поездов, автомобилей, тракторов, холодильников, стиральных машин, пылесосов и фенов.

Мы вставляем в окна стеклопакеты с тройным остеклением; отгараживаем дома от автомагистралей специальными оградами и т.п. Борьба эта бесконечна и, возможно, безнадежна.

Не зря Альберт Эйнштейн говорил, что человеческая глупость бесконечна. Мы слушаем на дисках музыку на грани болевого порога. Часами «затыкаем» уши наушниками. В результате растет число людей с отклонениями слуха от нормы.

Аудиотехника пытается им помочь, наперекор этим людям и не всегда успешно. Нужен рост общей культуры, а это трудная проблема.

Автор(ы): Брянский Л.Н.
Номер журнала: КИПиС 2009 № 2