Ультразвук — это звуковые волны с частотой более 20 кГц, которые не воспринимаются человеческим ухом, а удар в большинстве случаев человек слышит. Природа уже давно и достаточно эффективно использует ультразвук, например, в летучих мышах.
Летучие мыши, как представители отряда рукокрылых, обладают уникальной способностью к эхолокации, позволяющей им эффективно ориентироваться в пространстве и добывать пищу в условиях ограниченной видимости. В полете они используют ультразвуковые сигналы, генерируемые специализированными структурами гортани и излучаемые через носовую или ротовую полость. Эти сигналы распространяются в окружающей среде, отражаются от объектов и возвращаются к летучим мышам, улавливаемым высокочувствительными слуховыми структурами. Процесс эхолокации включает несколько ключевых этапов. Летучие мыши излучают ультразвуковые импульсы с частотой от 20 до 120 кГц, длительность которых варьируется от нескольких миллисекунд до нескольких десятков миллисекунд. Эти импульсы распространяются в воздушной среде, взаимодействуя с объектами и создавая отраженные сигналы. Полученные отраженные сигналы воспринимаются слуховой системой летучих мышей, включающей в себя наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.
Ультразвуковые волны вызывают колебания барабанной перепонки, передаваемые через систему слуховых косточек к внутреннему уху. В улитке внутреннего уха происходит преобразование механических колебаний в электрические сигналы, которые затем передаются в мозг через слуховой нерв. Центральная нервная система летучих мышей анализирует полученные сигналы, определяя их частоту, амплитуду и временные характеристики. Эта информация используется для построения детальной карты окружающей среды, позволяя летучим мышам идентифицировать объекты, оценивать их размеры, расстояние и скорость движения. Эхолокация играет ключевую роль в различных аспектах жизнедеятельности летучих мышей, включая поиск пищи, избегание препятствий, коммуникацию с сородичами и навигацию в пространстве. Благодаря этой способности, летучие мыши демонстрируют высокую степень адаптивности и эффективности в различных экологических нишах. Странно только для чего, например, собакам слышать ультразвук. Собаки обладают уникальной способностью воспринимать ультразвуковые волны, что представляет собой эволюционно значимую адаптацию. В контексте сенсорной экологии и эволюционной биологии этот феномен заслуживает тщательного анализа. Природа ультразвук использовала не только в летучих мышах, но и в китообразных, например, дельфинах. Биологический метод возбуждения ультразвука, достаточно интересен и он отличается от удара молотком. Способ, которым мыши создают ультразвук, заключается в том, что они заставляют тонкий поток воздуха, выходящий из лёгких, ударяться о внутреннюю поверхность гортани. Вследствие этого возникают стабильные и чистые ультразвуковые импульсы, параметры которых мышь может регулировать, изменяя скорость движения воздуха. Дельфины генерируют ультразвуковые сигналы с помощью специальной системы, расположенной под дыхалом в верхней части головы. Звуковые волны направляются благодаря жировой прослойке на лбу и вогнутой передней поверхности черепа. В результате дельфин способен формировать направленный «луч» звука с углом расхождения в 9°. Помимо ушных каналов, дельфины воспринимают звуки с помощью нижней челюсти, где находится костная пластина толщиной 0,3 мм, выполняющая роль мембраны. Создавая звуки и улавливая их эхо от окружающих объектов, дельфины исследуют окружающее пространство. Используя свой «локатор», дельфин получает информацию не только о расстоянии до препятствий, но и об их характеристиках (размер, форма, материал).
А ведь собаки не генерируют ультразвуковые волны, но способны улавливать их благодаря острому слуху, который позволяет воспринимать звуки в диапазоне до 45–60 кГц. Слух собаки эволюционно настроен на высокочастотные звуки, которые помогают животным в охоте и «общении» с внешним миром. Например: Ультразвуковые сигналы мелких грызунов — мыши и полёвки издают их, поэтому собаки могут слышать на значительном расстоянии. Видимо, они их тоже едят, когда проголодались. Высокочастотные шумы — звуки, создаваемые насекомыми или другими мелкими животными, также находятся в ультразвуковом диапазоне и доступны собачьему слуху. Может быть и насекомых они едят, а иначе зачем собакам слышать ультразвук?
Ультразвуковые волны обладают рядом замечательных свойств:
- Высокая частота колебаний. Это позволяет ультразвуку проникать в ткани на значительную глубину и обеспечивать детальное изображение внутренних структур при использовании в диагностических целях (например, в ультразвуковом исследовании).
- Способность распространяться в различных средах. Ультразвук может проходить через жидкости, газы и твёрдые тела, что делает его полезным в различных приложениях, от медицинских до промышленных.
- Возможность фокусировки. Ультразвуковые волны можно фокусировать с помощью специальных линз или других устройств, что позволяет концентрировать энергию в определённой области и повышать эффективность воздействия.
- Отражение и преломление. При встрече с границей раздела двух сред ультразвук может отражаться, преломляться или рассеиваться. Это свойство используется в ультразвуковой диагностике для создания изображений внутренних органов.
- Способность вызывать тепловое и механическое воздействие. Ультразвук может вызывать нагрев тканей или их микромассаж, что применяется в физиотерапии, хирургии и других областях.
- По мере распространения ультразвука в среде, его амплитуда уменьшается из-за поглощения, рассеяния и отражения. Это важно учитывать при планировании ультразвуковых исследований или процедур.
- Возможность создания стоячих волн. В определённых условиях ультразвуковые волны могут создавать стоячие волны, что может быть использовано для разрушения тканей (например, в литотрипсии для разрушения камней в почках).
- Направленность излучения. Ультразвуковые волны могут быть направлены с высокой точностью, что позволяет использовать их для локального воздействия на ткани.
Именно поэтому человек начал широко использовать ультразвук в различных диагностических процессах: в медицине, промышленности, научных исследованиях и других областях. Однако, до этого использования нужно было сначала научиться его создавать - сконструировать генератор. А, генератором ультразвука, в конечном итоге, является быстродействующий молоток без ручки, размеры которого в поперечном направлении, достаточно малы и сравнимы с длиной волны ультразвука в среде распространения, а сам материал бойка изготавливается из пьезоэлектрика. Это позволяет наносить удары с высокой частотой за счет обратного пьезоэффекта.
При этом возможно создание узкой диаграммы направленности акустического излучения, которою можно направлять в разные стороны. Если, при этом получать отраженные сигналы, на этот же пьезоэлектрик, используя прямой пьезоэффект, то можно построить локационное устройство, как у летучих мышей. Однако, и обычный механический удар имеет массу свойств.
Механический удар — это кратковременное взаимодействие между телами, при котором их скорости резко изменяются. В процессе удара возникают значительные внутренние силы, а внешними силами можно пренебречь, что позволяет рассматривать систему как замкнутую и применять законы сохранения. При ударе происходит начальная деформация тел, в ходе которой кинетическая энергия поступательного движения преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации. Затем эта энергия переходит обратно в кинетическую, что приводит к дальнейшему движению тел. Основной характеристикой ударного взаимодействия является не сила, а ударный импульс, определяющий изменение импульса системы. В зависимости от того, какая часть потенциальной энергии деформации переходит в кинетическую энергию, а какая рассеивается в виде тепла и внутренней энергии, различают три типа ударов:
- Абсолютно упругий удар, при котором вся механическая энергия системы сохраняется. Этот тип удара используется как идеализированная модель, но в некоторых случаях, например при столкновении бильярдных шаров, он даёт достаточно точные результаты.
- Абсолютно неупругий удар, при котором потенциальная энергия деформации полностью переходит в тепло и энергию неупругой деформации. Скорости тел после удара становятся равными, что свидетельствует об их «слипании».
- Частично неупругий удар, при котором часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, а другая часть рассеивается в виде тепла. В реальности все удары являются либо абсолютно, либо частично неупругими из-за наличия внутренних диссипативных процессов.
При механическом ударе сохраняются законы сохранения импульса и момента импульса, но закон сохранения механической энергии поступательного движения обычно не выполняется. В процессе не абсолютно упругого удара часть кинетической энергии переходит во внутреннюю энергию системы, которая затем может быть рассеяна в виде механических колебаний, акустических волн, деформации и тепла.
Результат столкновения двух тел можно определить, если известны их начальные импульсы, массы и механические энергии после удара. В случаях, когда невозможно точно установить потери энергии, например при одновременном столкновении нескольких тел или столкновении точечных частиц, точное предсказание движения становится затруднительным. В таких ситуациях рассматривают зависимость возможных углов рассеяния и скоростей тел от начальных условий, что позволяет определить диапазон возможных исходов столкновения.
При одиночном ударе массивным ударником, например, по колоколу, можно создать акустические волны со сферическим фронтом, которые распространятся по всем направлениям конструкции, создадут многочисленные переотражения с большим количеством акустических мод, и вызовут механические резонансы. Если из них, один резонанс будет самый сильный, как это происходит в колоколе, то мы услышим один чистый тональный звук, затухающий со временем.
Использование механического удара в диагностических целях не столь популярно по сравнению с ультразвуковыми методами, что обусловлено неопределенностью местоположения дефекта вследствие всенаправленного характера акустических волн при их генерации и, как следствие, отсутствием направленности в регистрируемых акустических откликах. Несмотря на это, существуют специализированные диагностические устройства, функционирующие на основе простого механического удара. Ведь это же эффективно, когда один удар в одно место объекта, в отличие от ультразвука, охватывает практически весь объем исследуемого изделия.
Таким образом, свойство молотка (его удара) генерировать ударные импульсы, обладает рядом специфических особенностей, которые в дальнейшем трансформируются в акустические волны с различными характеристиками, необходимыми для решения широкого спектра задач, актуальных для человечества.