Најважније из лекције
Инфразвук (\( f < 20 \text{ Hz} \)): Механички таласи веома мале апсорпције који прелазе хиљаде километара. Природни гласници непогода (земљотреси, олује); детектују се барометрима и специјалним микрофонима.
Ултразвук (\( f > 20 \text{ kHz} \)): Таласи малих таласних дужина (\( \lambda < 1 \text{ cm} \)) и велике густине енергије. Простиру се у уским сноповима.
Кавитација: Формирање и пуцање микрошупљина у течности под дејством ултразвука са драстичним локалним променама притиска.
Примена ултразвука: Дефектоскопија метала (до \( 10 \text{ m} \)), сонари, медицинска дијагностика и терапија, чишћење површина, заваривање, стерилизација.
Доплеров ефекат: Промена релативне фреквенције због кретања извора или пријемника (приближавање → виши тон; удаљавање → нижи тон).
Ултразвук (\( f > 20 \text{ kHz} \)): Таласи малих таласних дужина (\( \lambda < 1 \text{ cm} \)) и велике густине енергије. Простиру се у уским сноповима.
Кавитација: Формирање и пуцање микрошупљина у течности под дејством ултразвука са драстичним локалним променама притиска.
Примена ултразвука: Дефектоскопија метала (до \( 10 \text{ m} \)), сонари, медицинска дијагностика и терапија, чишћење површина, заваривање, стерилизација.
Доплеров ефекат: Промена релативне фреквенције због кретања извора или пријемника (приближавање → виши тон; удаљавање → нижи тон).
Сонометар (фонометар) је инструмент за прецизну регистрацију нивоа звука и расподелу спектра његових фреквенција.
Основни делови сонометра су:
- микрофон,
- филтери одзивних фреквентних карактеристика („А”, „В” и „С”),
- електронски појачивач,
- показни монитор.
Заштита од буке обухвата адекватну звучну изолацију објеката, заштитне баријере од саобраћаја и коришћење заштитних слушалица на радним местима са високим нивоом буке. Дуготрајно слушање гласног звука преко слушалица може трајно оштетити слух и нервни систем.
Инфразвук представља механичке таласе чија је фреквенција мања од границе чујности човека:
\[ f < 20 \text{ Hz} \]
Карактеристике инфразвука:
- Има веома мали коефицијент апсорпције, због чега се без значајног слабљења преноси на велике даљине (хиљадама километара).
- Шири се знатно брже од природних непогода (олуја, земљотреса, цунамија) те служи за њихову рану детекцију.
Извори инфразвука:
- Природни: земљотреси, вулканске ерупције, олује, удари морских таласа о обалу.
- Вештачки: вибрације турбина, мотори са унутрашњим сагоревањем, саобраћај, топионице метала.
Детекција и примена:
Ниже фреквенције инфразвука региструју се осетљивим барометрима, а више великим микрофонима у виду радара. Користи се за откривање цурења нафтовода, чишћење чађи из димњака, праћење метеора и праћење комуникације животиња (слонови, жирафе).
Зашто се инфразвук користи за рано упозоравање на олује и земљотресе?
Инфразвучни таласи се кроз земљу и ваздух простиру знатно брже од саме природне непогоде (попут кретања олујног фронта или водених маса), а због мале апсорпције прелазе хиљаде километара са минималним губитком енергије.
Ултразвук представља механичке таласе фреквенције веће од горње границе чујности човека:
\[ f > 20 \text{ kHz} \quad (\lambda < 1 \text{ cm}) \]
Велике фреквенције ултразвука (\( \omega = 2\pi f \)) условљавају изузетно велике вредности динамичких параметара:
\[ v_0 = \omega A \quad (\text{амплитуда брзине}) \]
\[ a_0 = \omega^2 A \quad (\text{амплитуда убрзања}) \]
Интензитет ултразвука је од \( 10 \text{ W/cm}^2 \) до \( 1000 \text{ W/cm}^2 \).
Кавитација је појава непрекидног стварања и тренутног ишчезавања микроскопских шупљина (мехурића) у течностима под дејством снажног ултразвука, праћена наглим локалним променама притиска и густине.
Особине простирања:
- Простире се у облику уских, усмерених снопова („ултразвучни зраци”).
- Брзо се апсорбује у ваздуху, али се одлично простире кроз воду и чврста тела.
- Извори су мањих димензија (\(< 3 \text{ mm}\)) и морају бити принудни осцилатори због брзог пригушења. Неке животиње (слепи мишеви, делфини) емитују ултразвук ради ехолокације.
Захваљујући механичком, топлотном и биолошком дејству, као и својству ехо-одбијања, ултразвук има широку примену:
| Област | Примена ултразвука |
|---|---|
| Индустрија и техника |
• Дисперговање и прављење емулзија (козметика, мајонез, боје, лекови). • Ултразвучна купатила за одмашћивање и чишћење оксида. • Тачкасто заваривање полупроводника (диоде, триоде). • Обрада и бушење кртих материјала (стакло, керамика) уз помоћ абразива. • Коагулација честица чађи и дима у филтерима. |
| Дефектоскопија и навигација |
• Откривање унутрашњих шупљина и дефеката у металима до дубине од \( 10 \text{ m} \). • Хидролокатори (сонари) и дубиномери на бродовима за мапирање дна и праћење објеката. |
| Медицина и биологија |
• Дијагностика: ултразвучни прегледи органа (мањи интензитет). • Терапија: разбијање камена у бубрегу, загревање ткива. • Стерилизација: уништавање микроорганизама и бактерија (нпр. у млеку). |
| Молекуларна акустика | Изучавање микроструктуре и физичких процеса у гасовима и течностима. |
Зашто се за откривање пукотина у дебелим металним блоковима користи ултразвук, а не рендгенско зрачење или светлост?
Видљива светлост уопште не продире у метале, док рендгенско зрачење продире само на мале дубине због велике густине метала. Ултразвучни сноп може продрети кроз метале чак до \( 10 \text{ m} \) и прецизно лоцирати дефект на основу рефлектованог ехо-сигнала.
Доплеров ефекат је појава промене регистроване фреквенције звучног таласа услед релативног кретања извора звука и пријемника (слушаоца).
- Када се извор звука приближава посматрачу, посматрач региструје вишу фреквенцију (виши тон).
- Када се извор звука удаљава од посматрача, посматрач региструје нижу фреквенцију (нижи тон).
Звук сирене возила хитне помоћи или болида Формуле 1 звучи више док нам се возило приближава, а знатно ниже чим прође поред нас и почне да се удаљава, иако сам извор емитује звук сталне фреквенције.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Разврстај следеће таласе на инфразвук, чујни звук и ултразвук према њиховим фреквенцијама:
а) \( f_1 = 8 \text{ Hz} \)
б) \( f_2 = 1.5 \text{ kHz} \)
в) \( f_3 = 45 \text{ kHz} \)
а) \( f_1 = 8 \text{ Hz} \)
б) \( f_2 = 1.5 \text{ kHz} \)
в) \( f_3 = 45 \text{ kHz} \)
Опсег чујности за људско ухо је од \( 20 \text{ Hz} \) до \( 20 \text{ kHz} \) (\( 20\,000 \text{ Hz} \)).
а) \( f_1 = 8 \text{ Hz} < 20 \text{ Hz} \) → инфразвук
б) \( f_2 = 1.5 \text{ kHz} = 1500 \text{ Hz} \) → чујни звук
в) \( f_3 = 45 \text{ kHz} = 45\,000 \text{ Hz} > 20 \text{ kHz} \) → ултразвук
а) \( f_1 = 8 \text{ Hz} < 20 \text{ Hz} \) → инфразвук
б) \( f_2 = 1.5 \text{ kHz} = 1500 \text{ Hz} \) → чујни звук
в) \( f_3 = 45 \text{ kHz} = 45\,000 \text{ Hz} > 20 \text{ kHz} \) → ултразвук
Задатак 2 (средњи): Бродски сонар шаље ултразвучни сигнал вертикално ка морском дну и региструје одбијени ехо након \( \Delta t = 0.8 \text{ s} \). Колика је дубина мора на том месту ако је брзина ултразвука у морској води \( v = 1500 \text{ m/s} \)?
Талас прелази двоструки пут (до дна и назад): \( 2h = v \cdot \Delta t \).
\[ h = \frac{v \cdot \Delta t}{2} \]
\[ h = \frac{1500 \text{ m/s} \cdot 0.8 \text{ s}}{2} = \frac{1200 \text{ m}}{2} = 600 \text{ m} \]
Одговор: Дубина мора износи \( 600 \text{ m} \).
Задатак 3 (средњи): Израчунај таласну дужину ултразвука фреквенције \( f = 50 \text{ kHz} \) у води, где је брзина простирања звука \( v = 1500 \text{ m/s} \), и упореди је са таласном дужином истог ултразвука у ваздуху (\( v_{\text{v}} = 340 \text{ m/s} \)).
Фреквенција: \( f = 50 \text{ kHz} = 50\,000 \text{ Hz} \).
1. Таласна дужина у води: \[ \lambda_{\text{вода}} = \frac{v}{f} = \frac{1500 \text{ m/s}}{50\,000 \text{ Hz}} = 0.03 \text{ m} = 3 \text{ cm} \] 2. Таласна дужина у ваздуху: \[ \lambda_{\text{ваздух}} = \frac{v_{\text{v}}}{f} = \frac{340 \text{ m/s}}{50\,000 \text{ Hz}} = 0.0068 \text{ m} = 0.68 \text{ cm} = 6.8 \text{ mm} \] Одговор: Таласна дужина у води износи \( 3 \text{ cm} \), а у ваздуху \( 6.8 \text{ mm} \) (мања је у ваздуху због мање брзине звука).
1. Таласна дужина у води: \[ \lambda_{\text{вода}} = \frac{v}{f} = \frac{1500 \text{ m/s}}{50\,000 \text{ Hz}} = 0.03 \text{ m} = 3 \text{ cm} \] 2. Таласна дужина у ваздуху: \[ \lambda_{\text{ваздух}} = \frac{v_{\text{v}}}{f} = \frac{340 \text{ m/s}}{50\,000 \text{ Hz}} = 0.0068 \text{ m} = 0.68 \text{ cm} = 6.8 \text{ mm} \] Одговор: Таласна дужина у води износи \( 3 \text{ cm} \), а у ваздуху \( 6.8 \text{ mm} \) (мања је у ваздуху због мање брзине звука).
Задатак 4 (тежак): Објасни физички механизам настанка кавитације под утицајем ултразвука великог интензитета и наведи два примера њене корисне и један пример њене штетне/разорне примене.
Механизам: Ултразвучни таласи високе фреквенције и великог интензитета изазивају наизменично брзо адијабатско сабијање и истезање течности. При фази истезања локални притисак толико опадне да настају микроскопске шупљине (мехурићи паре и гаса). У фази сабијања ови мехурићи нагло колабирају (пуцају), стварајући огромне локалне притиске и ударне микро-таласе.
Корисна примена:
Корисна примена:
- Ултразвучно чишћење у купатилима (скидање масноћа и оксида са површина).
- Ефикасно дисперговање и добијање стабилних емулзија (козметика, фармација, прехрамбена индустрија).
- Разарање и убијање живих ћелија и микроорганизама (користи се за стерилизацију или циљано уништавање ткива у медицини).
