Излучатели ультразвука

Приводя в пример фортепиано и грамзапись, мы имели дели со свойствами слышимого звука. Тем не менее, хорошо известно: в отличие от человека, собака и другие животные могут воспринимать звук более высоких частот. При наличии подходящих преобразователей мы, люди, можем услышать звук в два раза большей частоты, чем звук самой верхней ноты фортепиано. Возведите эту величину в квадрат: полученные 16 896 гц - это почти верхний предел звукового регистра, воспринимаемого человеческим ухом. Поднимемся еще выше, к частоте звука в 20 000 гц. Собака его слышит, доказывая своим поведением, что столь высокий звук реально существует. Весь регистр выше этой частоты мы относим к ультразвуку.

Вернемся к примеру с фортепиано и найдем еще одно очень важное понятие. Как мы заметили, частота звука тем выше, чем короче струна, и наоборот, по мере удлинения струны, звук становится ниже. Струна порождает звук определенной частоты, а слышим мы его благодаря тому, что струна сообщает воздуху вокруг себя, а также в пространстве между нами колебания той же самой частоты, которую ей придал удар молоточка. Вполне реалистично предположить, что во время колебания струны, она сначала отталкивает, а затем притягивает к себе непосредственно окружающий ее воздух. Последующие подъемы и падения давления воздуха напоминают волны, от брошенного в воду камня. Расстояние между двумя соседними гребнями волн в воде и между двумя соседствующими точками наиболее высокого давления воздуха - это длина волны. Только в рассматриваемом нами случае не существует ни воздушного, ни водного потока: распространяется только сама волна.

Соотношение между частотой и длиной волны

Теперь у нас достаточно большой словарь, и благодаря ему мы сможем рассмотреть три важных вопроса. Еще раньше мы заметили: чем выше частота (звучание) ноты, тем короче струна и тем короче длина волны.

Положение 1. Умножая частоту звука на длину его волны, мы всегда будем получать неизменный результат - константу.

Положение 2. Эта константа - не просто бессмысленная цифра. Она отражает скорость распространения звука в воздушном пространстве (332 м/сек).

Положение 3. Зная частоту звука, мы можем вычислить длину его волны. Исходя из положения 1 и 2 мы имеем:

частота х длина волны = константа или длина волны = константа/частота.

Для примера, вычислим длину волны, соответствующую частоте 1000 гц.

332 м/сек / 1000 гц = 0,332 метра.

Весьма полезно запомнить некоторые цифры. Скажем, длина волны звука, имеющего частоту 100 гц, составляет приблизительно 3,32 метра, а частоте ультразвукового диапазона 30000 герц соответствует длина волны около 11 миллиметров.

Некоторые другие базовые понятия

Сейчас у нас создается общий фон для понимания темы. Наберитесь терпения, чтобы узнать еще несколько понятий, столь необходимых нам в дальнейшем.

Вот простая пара слов. Когда звук 1 отражается 0 и возвращается к своему источнику, мы слышим 1эхо 0. Стреляя в тире из винтовки, мы сначала слышим непосредственно звук выстрела, а затем его 1 отражение 0 от защитной стенки, находящейся за мишенью.

Эффект Допплера

Представьте себе комнату площадью 18 квадратных метров и высотой 3 метра, в которой созданы все условия для абсолютного покоя. Предположим, что на одной из стен, на высоте 1.8 м, висит ультразвуковой передатчик, напоминающий небольшой высокочастотный динамик. Рядом с ним приемник (рецептор) ультразвука. Оба они направлены на противоположный угол комнаты. Расположенные таким образом, передатчик и приемник образуют ультразвуковую 1допплеровскую систему 0.

Передатчик будет посылать ультразвуковую энергию с частотой излучения 20000 гц (что равняется длине волны 16.6 мм), а приемник будет принимать энергию той же частоты - исходящую прямо от передатчика, или частично отраженную от стен, и, может быть, от пола или потолка. Теперь предположим, что в углу комнаты, как раз напротив нашего датчика, находится дверь, в которую входит непрошеный гость. Часть потока энергии, которая в нормальных условиях отразилась бы от стены и закрытой двери, теперь отражается от движущегося по комнате человека. Главный вопрос состоит в том, сможет ли приемникрецептор определить разницу между сигналами, отраженными от неподвижных предметов, и сигналами, отраженными от передвигающихся объектов.

Ответ - да, может. Как мы увидели ранее, частота звука, помноженная на длину волны, составляет скорость звука. Сейчас, когда нарушитель передвигается по комнате, отражаемая от, него энергия возвращается к приемнику раньше, "чем это ожидалось". Образно говоря, приемник думает, что скорость звука увеличилась, а потому он составляет уравнение:

частота х длина волны=скорость звука + приращение.

Но уравнение стало теперь неравенством. Мы уже говорили, что в комнате созданы условия абсолютного покоя, поэтому единственное, что может привести наше уравнение в норму, - это увеличение частоты. Таким образом,

(частота + приращение) х длина волны = скорость звука + приращение.

Приемник фиксирует увеличение частоты сигналов, отражающихся от нарушителя. Электроника сравнивает новые данные со стандартной частотой излучаемого ультразвука, и выявленная разница служит основанием для подачи сигнала "Тревога".

Что-то подобное происходит и тогда, когда в качестве рецептора мы используем наши собственные уши. Мы фиксируем изменение частоты звука, когда на улице мимо нас проезжает сигналящая машина. Первым ученым, объяснившим это явление был Допплер. Сейчас, говоря о сдвигах в частоте, мы употребляем понятие "эффект Допплера".

Затухание

Вся природа устроена таким образом, что с увеличением частоты возрастает и затухание, или потеря энергии. Слушая музыку, прикройте уши ладонями. Все звуки резко уменьшатся в объеме, но заметьте при этом: высокие звуки (если вы их вообще услышите) будут звучать куда тише, чем низкие. Тоже самое получится, если поместить репродуктор за толстый тяжелый занавес.

Затухание наблюдается не только у звуковой волны, оно распространяется и на световую волну. Вспомните спектр цветов, излучаемых солнцем и в совокупности составляющих дневной свет. У фиолетового цвета - выше частота и короче длина волны. В полдень солнце дает нам нормальный свет, но на закате или на восходе солнечные лучи проделывают гораздо больший путь по наклонной через атмосферу нашей планеты, насыщенную пылью, которая поглощает фиолетовые и голубые лучи, также имеющие высокую частоту. Как следствие, восход и закат окрашены в красные тона.

Постоянство свойств природы

В природе все логически связано: и тепло, и радио сигналы и микроволновая энергия и свет передаются в пространстве электромагнитными волнами. В действительности, все они представляют собой электромагнитные волны различной длины. Так же, как звуковая волна, они обладают способностью затухать, что видно из примера с солнечными лучами. Но если скорость звука имеет границы, то скорость электромагнитного излучения практически безгранична. Сопоставление двух величин скорости создает разительный контраст: за одну секунду звук распространяется на 332 метра, а электромагнитная волна - на 300 миллионов метров.

Еще более удивительно, что свойства распространения волны сохраняются постоянными и в такой принципиально отличной от других по физическим свойствам среде, как эфир. Скорость здесь определяется по той же формуле.

Еще немного о затухании

Иллюстрируя связь между увеличением затухания и частотой, мы привели примеры из области акустики и электромагнитного излучения. К счастью, в нашей области охраны мы имеем дело с расстоянием в несколько десятков или, самое большее, в несколько сот метров. По сравнению с теми расстояниями, на которые обычно отправляются радиоволны и световые волны, наши дистанции так коротки, и потеря энергии на них столь незначительна, что при описании устройства, работающего на радиоволнах, фактор затухания можно в расчет не брать.