"ПЕРЕКРЕСТНЫЕ"
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ.
КВАНТОВАЯ АКУСТИКА
"Перекрестными" эффектами Л. Л. Мясников образно, назвал эффекты, возникающие при взаимодействии полей или потоков
разной природы, например звукового и магнитного, светового и звукового и т. п. Область перекрестных эффектов поистине
безгранична, в настоящее время изучены лишь некоторые "разнопольные" взаимодействия. Вот, например, как взаимодействует
ультразвук с металлом, находящимся в магнитном поле.
Вследствие звуковых колебаний материала в магнитном поле в материале
создаются вихревые токи, которые в свою очередь вызывают появление вторичного электромагнитного поля. По амплитуде этого
поля можно, между прочим, судить об интенсивности ультразвука в металле. Эффект обратим: поверхностная радиоволна,
направляемая вдоль металлического стержня с постоянным магнитным полем (а при некоторых условиях и без него), создает в
стержне ультразвуковые колебания. Магнитоакустический эффект весьма чувствителен к структурному состоянию металлов и
сплавов, степень проявления эффекта зависит от рода и количества даже весьма малых примесей или добавок в материале. Пользуясь
этим методом, можно создать материалы с максимальным или, наоборот, минимальным коэффициентом механических потерь на
ультразвуковых частотах.
Предсказанные теоретически С. А. Альтшуллером и исследованные экспериментально
У. X. Копвиллемом и другими акустический электронный и ядерный магнитные резонансы обнаружены в настоящее время
во множестве кристаллов, содержащих парамагнитные примеси. Эти опыты дают интереснейшие сведения и представления
не только о характере магнитоакустических резонансов внутри вещества, но и о динамических свойствах кристаллов на
гиперзвуковых частотах 109 герц и более. Звуковые колебания могут менять картину взаимодействия атомных пучков с
пьезоэлектрическим материалом.
Так, в опытах Л. Л. Мясникова и его сотрудников при облучении кварцевой пластинки
атомными пучками калия, рубидия, цезия и таллия наблюдались дифракционные картины пространственного рассеяния пучков.
У той же пластинки, приведенной в колебательное движение на ультразвуковых частотах, дифракционные максимумы рассеяния атомных пучков исчезали. Еще в 30-е
годы нашего столетия был известен акустико-оптический эффект, являвшийся продуктом взаимодействия акустических и световых волн.
В жидкости возбуждалась система плоских ультразвуковых волн. В звуковой волне чередуются сгущения и разрежения среды, поэтому
подобная структура может действовать как твердая дифракционная решетка.
Действительно, при направлении на структуру светового
луча появлялись отчетливые дифракционные максимумы и минимумы. Очень эффектные фотографии этих дифракционных картин были
получены Люка и Бикаром во Франции, Раманом и Натом в Индии, Соколовым в СССР. Интенсивность наиболее сильного центрального
максимума являлась ярко выраженной функцией амплитуды ультразвуковых волн. Перед второй мировой войной английская фирма
"Скофони" разработала на этом принципе модулятор света и применяла его в телевизионных установках с большим экраном и высокой
четкостью. Г. А. Аскарьяном и другими в 1963 году было сообщено в печати о генерации звука при поглощении лазерного излучения в
жидкости. Приблизительно в это же время подобное явление наблюдал Л. М. Лямшев. Некоторые исследователи назвали это направление
"разнопольных" взаимодействий оптоакустикой.
Механизмы оптического возбуждения звука многообразны. Звук может возникать
вследствие поглощения интенсивного света в среде. Этот механизм связан с релаксационными процессами, изучение которых является
предметом молекулярной акустики (заметим, что молекулярная акустика сама по себе представляет обширную область, и отечественные
школы И. Г. Михайлова, В. Ф. Ноздрева и других имеют большие достижения в этой области).
Кроме того, звук может возбуждаться
в результате резкого изменения агрегатного состояния среды (испарение, ионизация) вследствие электрострикционного эффекта.
Американец Ларсон, исследовавший возбуждение звука в твердых телах при воздействии модулированного лазерного излучения,
установил, что это излучение генерирует в среде сильный звук в направлении, перпендикулярном направлению распространения луча лазера. Различными авторами исследовались случаи
излучения звука при воздействии на вещество мощных тепловых полей, импульсного электрического напряжения и т. д. По мере повышения
частоты, то есть уменьшения длины волны ультраакустических колебаний звуковые волны начинают "замечать" дискретную структуру твердых
тел -- кристаллическую ионную решетку.
Здесь становятся плодотворными корпускулярные представления. Согласно современной физике,
любая волна ведет себя при определенных условиях как частица, и наоборот: любая частица ведет себя при определенных условиях как
волна. Один из классиков физики Уильям Брэгг иронически заметил по этому поводу, что каждый физик вынужден считать свет состоящим
по понедельникам, средам и пятницам из частиц, а остальные дни недели -- из волн. А вот что пишет по этому поводу в своей
замечательной научно-популярной книге "Глаз и солнце" академик С. И. Вавилов*: "Материя, т.е. вещество и свет, одновременно
обладает свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого (курсив С. И.
Вавилова -- И. К.).
Наши механические понятия не в состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных
образов". С тех пор последовало много работ, подтверждаю щих эквивалентность волновой и квантовой механики. * С. И. Вавилов.
Глаз и солнце. Изд. 9-е. М, "Наука", 1976, с. 42. И хотя отдельные противоречия остаются, квантовая механика позволила
сделать выдающиеся открытия. Звуковой волне соответствует частица, которая была названа фононом -- квантом звука. Разумеется,
полной аналогии здесь нет. Частицы света -- фотоны-- элементарны, то есть не состоят из других частиц. Они единообразны,
как единообразны электромагнитные поля, они устойчивы. Параметры фононов не имеют той устойчивости, которая свойственна
параметрам элементарных частиц.
В процессе распространения звука изменяется характер упругих колебаний, волна из поперечной
может переходить в продольную, поверхностную и т. п. Эти процессы надо рассматривать как превращения фононов в другие виды, то есть следует предположить многообразие фононов.
Несмотря на отсутствие данных о параметрах фононов для различных видов упругих колебаний, введение квантовых представлений в
акустику уже принесло свои плоды. Примером служит создание акустического мазера, подобного электромагнитному мазеру или лазеру.
Схема и принцип действия фонон-электронного усилителя высокочастотного звука. 1 -- пьезополупроводник, 2 -- источник звука;
3 -- источник света; 4-- источник постоянного электрического напряжения. По мере движения звуковой волны ее амплитуда увеличивается
вследствие взаимодействия между электронами Э и фононами Ф. Другой пример -- квантовый усилитель ультразвука. Как ни странно,
но прямого усилителя звука пока не существует.
Для того чтобы усилить звук, нужно сначала превратить его в электрические колебания
(с помощью микрофона, гидрофона, виброметра), а затем, после усиления этих колебаний в электронном усилителе, произвести обратное
превращение уже усиленных электрических сигналов в звук посредством соответствующих электроакустических преобразователей.
Позвольте, а резонатор? -- спросит читатель. В полости резонатора звуковое давление усиливается вследствие того, что резонатор
"отсасывает" звук с довольно большой площади фронта волны и трансформирует в параметры колебательного процесса. Но в резонаторе
нет какого-либо постоянного постороннего источника звука, усиливающего колебательный процесс подобно тому, как это происходит в
электронном усилителе благодаря наличию постоянного электрического источника питания. Принцип действия фонон-электронного
усилителя ультразвуковых колебаний заключается в следующем.
В образце пьезоэлектрического полупроводника (например, в
кристалле сернистого кадмия) возбуждается звуковая волна высокой частоты. Одновременно кристалл облучается светом, вследствие
чего в нем возникают свободные электроны. Эти дрейфующие электроны увлекаются приложенным к кристаллу постоянным электрическим
полем. Так как скорость электронов больше скорости звука, то электроны как бы тянут за собой звуковые частицы -- фононы. Это создает дополнительные механические
усилия, и, следовательно, звуковая волна по мере распространения по кристаллу будет усиливаться. Уже созданы квантовые
усилители ультразвука, в которых на расстоянии 10--15 миллиметров удается получить усиление бегущего ультразвукового импульса
в тысячи раз.
При непрерывном излучении звука концентрация энергии в относительно малом объеме полупроводника становится
настолько велика, что возникает проблема его охлаждения во избежание падения коэффициента усиления. Многочисленные
проблемы квантовой акустики регулярно обсуждаются на специальных международных и всесоюзных симпозиумах и конференциях.
В 1974 году И. А. Викторову, Ю. В. Гуляеву, В.Л.Гуревичу, В. И. Пустовойту была присуждена Государственная премия СССР
за цикл исследований по созданию теоретических основ акустоэлектроники. Фундаментальные, полные интересных идей работы по
акустоэлектронике были выполнены безвременно скончавшимся академиком Р. В. Хохловым с сотрудниками, а также В. А. Красильниковым
и другими советскими учеными. "Разнопольные" эффекты и взаимодействия, электрон-фононные, фотон-фононные, фонон-фононные
процессы -- манящая и увлекательная область физической (а в недалеком будущем, несомненно, и техни-ческой^ акустики, "
ЧАСТЬ II Не обладая слухом, мы едва ли много больше интересовались бы колебаниями, чем без глаз -- светом Рэлей Пипин,
король Италии, VIII век "Что такое уши?" Флакк Альбин, наставник короля "Собиратели звуков"
160 килогерц, то есть почти в десять раз превышает верхнюю граничную частоту области слышимости человеческого уха.
При этой частоте длина звуковой волны в воздухе не превышает 2 миллиметров.
Длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте 3,5 герца она равна 100 метрам),
проникновение ее в ткани тела также велико; фигурально говоря, человек слышит инфразвук всем телом.
Какие же
неприятности может причинить проникший в тело инфразвук?
Медики обратили внимание на опасный резонанс брюшной полости, имеющий место при колебаниях с частотой 4--8 герц
Мозг. Здесь картина взаимодействия с инфразвуком особенно сложна. Небольшой группе испытуемых было предложено решить несложные задачи сначала при действии шума с частотой ниже 15 герц и уровнем примерно 115 децибел, затем при действии алкоголя и, наконец, при действии обоих факторов одновременно. Была установлена аналогия воздействия на человека алкоголя и инфразвукового облучения. При одновременном влиянии этих факторов эффект усиливался, способность к простейшей умственной работе заметно ухудшалась. В других опытах было установлено, что и мозг может резонировать на определенных частотах. Кроме резонанса мозга как упругоинерционного тела, выявилась возможность "перекрестного" эффекта резонанса инфразвука с частотой р- и р-волн, существующих в мозгу каждого человека. Эти биологические волны отчетливо обнаруживаются на энцефалограммах, и по их характеру врачи судят о тех или иных заболеваниях мозга. Высказано предположение о том, что случайная стимуляция биоволн инфразвуком соответствующей частоты может повлиять на физиологическое состояние мозга. Кровеносные сосуды. Здесь имеются уже некоторые статистические данные. В опытах французских акустиков и физиологов 42 молодых человека в течение 50 минут подвергались воздействию инфразвука с частотой 7,5 герца и уровнем 130 децибел. У всех испытуемых возникло заметное увеличение нижнего предела артериального давления. При воздействии инфразвука фиксировались изменения ритма сердечных сокращений и дыхания, ослабление функции зрения и слуха, повышенная утомляемость и другие нарушения. Как упоминалось в одной из предыдущих глав, спектральные характеристики шума в звуковом диапазоне в настоящее время нормируются. Так как особенно травмируют нервную систему звуки высоких частот, то на этих частотах допустимые уровни шума малы. На низких частотах в слышимом диапазоне допускаются большие уровни звука. Но если подтвердится особо вредное действие инфразвука на человека, то возможно, что при нормировании инфразвукового шума придется уменьшать допустимые уровни против тех, которые разрешены для сопредельной области частот 60--100 герц.
Ключевой момент - длина волны. Человек слышит 20Гц - 20кГц. Это диапазон 17 м - 17 мм. Человеческая голова... Сколько там у нас между ушами? Грубо говоря, сантиметров 15, плюс до ушей, минус дифракция... В общем вполне попадает в диапазон... Т.е. на ширине башки сумма в разных ушах разная. На частоте ок. 1 кГц уши будут работать в противофазе, равно как и на 3, 5, 7... А на 2, 4, 6... наоборот синфазно. И как гасить?
Да, это все если источник сбоку. А если он спереди-сзади, то всегда синфазно.
В общем, можно изолировать точечный источник в направлении на точечный приемник (когда расстояние м-ду ушами много меньше расстояния до источника). Иначе, или если источников несколько - невозможно...
Защитой от ультразвуковых и инфразвуковых излучателей являются поглотители: дерево, пробковое дерево, вата, пенопласт.
Эти материалы можно взять в сочетании ...
Системы связи, использующие звуковые, ультразвуковые или инфразвуковые волн
www.6478867.org E-mail: mail@telepat-defence.com Телефон сотовый Белоруссия: 37529 6478867 При перепечатке материалов, ссылки на www.6478867.org обязательны. Все авторские права сохраняются за первоисточником информации.