Инфразвуки. Инфразвук: влияние на человека, источники и особенности распространения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое инфразвук и как он влияет на организм человека. Каковы основные источники инфразвука в природе и на производстве. Какими особенностями обладают инфразвуковые волны. Как измеряется и нормируется инфразвук.

Содержание

Что такое инфразвук и как он воздействует на человека

Инфразвук представляет собой звуковые колебания с частотой ниже 20 Гц, которые не воспринимаются человеческим ухом. Несмотря на то, что мы не можем его услышать, инфразвук способен оказывать существенное влияние на организм человека.

Основные эффекты воздействия инфразвука на человека:

Чувство тревоги, беспокойства, страха
Головные боли, головокружение
Нарушения равновесия, координации движений
Тошнота, нарушения зрения
Ощущение вибрации внутренних органов
Нарушения сердечного ритма
Повышенная утомляемость

При высокой интенсивности инфразвука (более 180-190 дБ) возможны летальные исходы из-за разрыва внутренних органов. Однако в повседневной жизни такие уровни инфразвука не встречаются.

Основные источники инфразвука в природе и на производстве

В природе инфразвуковые волны генерируются во время многих природных явлений:

Землетрясения
Извержения вулканов
Штормы и ураганы
Грозовые разряды
Обвалы и оползни

На производстве основными источниками инфразвука являются:

Тяжелые машины и механизмы с числом оборотов менее 20 в секунду
Компрессоры
Дизельные двигатели
Турбины
Вентиляционные системы
Виброплощадки
Реактивные двигатели

Особенности распространения инфразвуковых волн

Инфразвук обладает рядом характерных особенностей по сравнению с слышимым звуком:

Большая длина волны (17 м и более)
Слабое поглощение атмосферой
Способность распространяться на большие расстояния
Высокая проникающая способность через препятствия

Способность вызывать резонансные колебания объектов

Благодаря этим свойствам инфразвук может распространяться на десятки и сотни километров от источника с небольшим затуханием. Он легко проникает через стены зданий, обходит препятствия за счет дифракции.

Как измеряется и нормируется инфразвук

Для измерения инфразвука используют специальные низкочастотные микрофоны и анализаторы спектра. Основными параметрами являются:

Уровень звукового давления (в дБ)
Частота колебаний (в Гц)
Спектральный состав

Нормирование инфразвука на рабочих местах осуществляется по СанПиН 2.2.4.3359-16. Предельно допустимые уровни звукового давления составляют:

100 дБ в октавной полосе 2 Гц
95 дБ в октавной полосе 4 Гц
90 дБ в октавных полосах 8 и 16 Гц

При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ. Для жилых помещений допустимые уровни ниже на 10 дБ.

Защита от воздействия инфразвука

Основные методы защиты от инфразвука включают:

Снижение интенсивности в источнике (изменение режимов работы оборудования)
Удаление источников от рабочих мест
Применение глушителей и резонаторов
Виброизоляция оборудования
Использование средств индивидуальной защиты (наушники, шлемы)
Сокращение времени пребывания в зоне воздействия

Полностью избавиться от инфразвука на производстве сложно, поэтому важно проводить регулярный контроль его уровней и соблюдать допустимое время воздействия.

Применение инфразвука в технике и медицине

Несмотря на негативное влияние на человека, инфразвук нашел применение в ряде областей:

Исследование земной коры и прогноз землетрясений
Изучение атмосферных явлений
Обнаружение взрывов и запусков ракет

Подводная локация и связь
Очистка газов от аэрозолей
Сушка и дегазация жидкостей
Физиотерапия (инфразвуковой массаж)

В медицине инфразвук используется в лечебных целях при некоторых заболеваниях опорно-двигательного аппарата, бронхиальной астме, гипертонии. Однако такое применение требует строгого контроля дозировки.

Влияние инфразвука на животных

Многие животные способны воспринимать инфразвуковые колебания и использовать их для коммуникации:

Слоны общаются на расстоянии до 10 км с помощью инфразвуковых сигналов
Киты и дельфины используют инфразвук для эхолокации и связи
Голуби ориентируются по инфразвуковым волнам от океанских волн
Некоторые виды рыб улавливают инфразвук от приближающихся хищников

Животные также чувствительны к инфразвуку от природных катаклизмов. Известны случаи, когда животные покидали опасные зоны перед землетрясениями и цунами, улавливая инфразвуковые предвестники.

Инфразвук от ветрогенераторов: мифы и реальность

Вокруг инфразвука, генерируемого ветряными электростанциями, возникло много спекуляций. Однако исследования показывают:

Уровни инфразвука от современных ветрогенераторов очень низкие
На расстоянии 500 м они не превышают естественный фон
Нет научных доказательств негативного влияния на здоровье
Жалобы жителей связаны больше с психологическими факторами

Масштабное исследование в Финляндии не выявило связи между инфразвуком от ВЭС и жалобами на здоровье. Испытуемые не могли определить наличие инфразвука в экспериментах по прослушиванию.

Статьи

Мы не можем слышать инфразвуковые волны, так как эти волны лежат вне частотного диапазона, улавливаемого ухом человека. Несмотря на это, такие звуки могут причинять большой вред нашему слуху и нашему здоровью.

Человеческое ухо воспринимает звуки в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Звуки, лежащие в частотном диапазоне от 2 до 16 Гц, мы называем инфразвуком. Чем ниже частота, тем громче должен быть звук для того, чтобы мы его услышали. Например: чтобы мы могли услышать звук частотой 100 Гц, он должен быть громкостью, по крайней мере, 23 дБ. Звук частотой 20 Гц мы слышим только при его громкости 70 дБ. Звук частотой 4 Гц мы слышим при уровне 120 дБ. Другими словами, мы можем подвергаться воздействию достаточно громких звуков, но слышать эти звуки мы не будем. Но известно, что звук громкостью больше 85 дБ может повреждать структуры нашего звукового анализатора и приводить к потере слуха.

Какие могут быть последствия воздействия инфразвука?

Инфразвук приносит вред нашему организму.

Звуковые волны, которые мы не слышим, могут повреждать наш вестибулярный нерв и приводить к тошноте, постоянному чувству беспокойства, головным болям и шуму в ушах. Такой эффект мы называем «морской болезнью». Также известно, что инфразвук может приводить к возникновению чувства постоянной усталости и к нарушениям сна.

Главной причиной таких симптомов является разновидность нарушения вегетативной регуляции. Наше тело имеет свои собственные колебания. Частота этих колебаний лежит в диапазоне между 1 и 6 Гц и инфразвук может легко повреждать их.

Что вызывает инфразвуковые колебания?

Существует большое количество естественных причин для возникновения инфразвука. Они могут быть вызваны ветром, воздушными потоками или другими метеорологическими причинами; компрессоры или тяжелые транспортные средства могут также быть причинами возникновения таких волн. Работающие в областях тяжелой промышленности или в больших офисах, где существуют специальные вентиляционные системы, особенно подвержены воздействию инфразвука.

Инфразвуковые волны двигаются очень медленно и имеют большую длину волны. Таким образом, они могут проникать в открытые и большие холлы или в открытые офисные пространства размером больше 20 м.

Как остановить инфразвук?

Очень трудно остановить распространение волн, имеющих такую длину волны. Дверь, стена или любые ушные затычки не будут являться защитой против звуковых волн такого типа. Эти волны проникают практически везде, и только определенные звуко-абсорбирующие поверхности могут служить препятствием на пути инфразвука. Специальные звуко-абсорбирующие вкладыши для защиты ушей смогут предохранить ваш слух. Но если такие средства недоступны для вас, бегите так быстро как возможно от источника таких волн. И это будет самой лучшей вашей защитой.

За гранью тишины. Инфразвук-убийца / ТВ / Newslab.Ru

Познавательно

Жанр:	Расследование
Страна:	Россия
Ограничения:	для детей старше 12 лет

Если ультразвук уже достаточно изучен, то инфразвук до сих пор во многом остается загадкой. Мы еще только учимся им пользоваться. По свидетельству ученых, инфразвук может быть грозным убийцей, а может лечить и спасать людей. Что же происходит на пороге тишины? Какие явления вызывают инфразвуковые колебания? Можно ли «приручить» инфразвук? Ответить на эти вопросы попытались авторы документального фильма «За гранью тишины. Инфразвук-убийца», премьера которого выйдет на канале » ТВ Центр». Про инфразвук впервые заговорили в 1929 году, после громкого происшествия в Великобритании. В органном зале готовилась новая постановка. Режиссер, желая усилить эффект, установил трубу оригинальной конструкции. Своими размерами она в несколько раз превышала обычные органные трубы. Когда музыканты попробовали новое звучание, в зале стало происходить нечто странное: народ начал разбегаться под воздействием неведомых звуков, началась паника. Неужели это был результат воздействия инфразвука на человека, на его психику? Чем закончилось выступление? Не оказалось ли здоровье присутствующих под угрозой? Инфразвук — это звук, который людям не слышен.

Нижний слуховой порог нашего уха — 20 Герц, верхний — 20 килогерц. То, что больше этого значения — ультразвук, то, что ниже — инфразвук. Чем интенсивней инфразвук, тем сильнее его волна, и тем разрушительней он действует. Воздействие мощной звуковой волны способно убить человека. Зимой 1959 года на Северном Урале 9 студентов совершали восхождение. До финальной высоты им оставалось лишь день. Туристы ставят палатку и устраиваются на ночлег. Что происходит дальше — не поддается объяснению. В февральский мороз, без теплой одежды, босиком, они вдруг в спешке покидают свою палатку, бегут в лес и там при загадочных обстоятельствах гибнут. В чем причина трагедии? Неужели это проклятие гор? Или виной всему аномальный звук, который в окрестностях гор имеет невероятную мощность? Мы выходим на улицу, садимся в машину, в поезд, в самолет. Инфразвук окружает нас везде. Где самый интенсивный инфразвук на городских магистралях? И как он сказывается на реакции водителей? Почему так много аварий происходит у светофоров? Неслышный уху звук может настигнуть нас и дома.

Почему актер Алексей Огурцов с неприязнью вспоминает свою квартиру на 17-ом этаже высотного дома? Оказывается, инфразвук практически не рассеивается в пространстве, он может пролетать сотни и даже тысячи километров, преодолевая любые преграды, проходя через любые стены. Поэтому на жильцов верхних этажей высотных домов действует и внешний инфразвук. Можно ли опасный инфразвук сделать всесильным лекарем? Фильм расскажет об уникальном медицинском приборе талантливого инженера Олега Казакова. Устройство, которое создал Казаков, само генерирует инфразвук. Основа прибора — так называемый «озвучатель». Это специальная пластина. Она вибрирует и от этого получается инфразвук. Врач устанавливает необходимую мощность звука и направляет волну на пациента. За счет низкого давления инфразвук проходит через тело пациента и затухает. Причем для окружающих и для обслуживающего персонала прибор абсолютно безопасен. В лечебных дозах инфразвук может справиться со многими заболеваниями. Инфразвуковая терапия дает высокий терапевтический эффект при лечении целого ряда болезней.

Это и хронические, и острые воспалительные процессы. Это и дегенеративно-дистрофические заболевания. И целая группа доброкачественных образований. С помощью лечебного инфразвука можно возвращать людям даже зрение. Низкие частоты позволяют лекарствам в 8 раз(!) быстрее попасть в ткани организма, чем во время обычного приема. Посмотрев фильм, вы узнаете, чем опасны для здоровья скоростные поезда. Откроете для себя причины, по которым после военно-морских учений на берег выбрасываются десятки китов. Познакомитесь с современными разработками по созданию инфразвукового оружия. Участвуют: актер Алексей Огурцов, телеведущая Елена Ленина; заведующие лабораториями Института океанологии РАН, кандидаты физико-математических наук Александр Веденёв и Юрий Чепурин; доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ФГУ ВНИИ ГО и ЧС МЧС России Александр Вялышев; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института динамики геосфер РАН Юрий Рыбнов; профессор, заслуженный врач РФ Евгений Сидоренко; профессор кафедры профилактической медицины и охраны здоровья Северо-Западного государственного медицинского университета им.

И. И. Мечникова Александр Нехорошев. Премьеру документального фильма «За гранью тишины. Инфразвук-убийца» смотрите на канале «ТВ Центр».

Ультразвук и инфразвук

Мы воспринимаем колебания частой от 20 до 20000 Гц, как звук. Но звук не ограничивается лишь диапазоном частот, который воспринимает человеческое ухо. В зоне с частотами ниже слышимых лежит область инфразвука, а выше — ультразвука.

Определение 1

Ультразвук — упругие колебания среды, волны лежащие в диапазоне выше слышимой области звуков (от 20000 Гц).

Определение 2

Инфразвук — звуковые волны с частотой ниже, чем порог восприятия ухом человека (ниже 20 Гц).

Приведем весь спектр упругих волн в физике:

Ультразвук и инфразвук в природе

В естественной природе ультразвук и инфразвук распространены так же широко, как слышимый звук.

Например, ультразвук является компонентом спектра многих природных звуков: шум водопада, гром. Ультразвук быстро затухает в воздухе, но хорошо распространяется в жидких средах. Еще один пример — летучие мыши и некоторые грызуны, которые используют ультразвук в процессе охоты и ориентации в темноте. Киты и дельфины также генерируют ультразвуковые сигналы для различных целей: охота, ориентация в мутной воде.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Среди природных источников инфразвука: землетрясения, ураганы, удары молний. Многие животные чувствуют воздействие инфразвука и, фиксируя нарастающий инфразвуковой шум, уходят в укрытие, так как инфразвук — предвестник шторма или бури. Инфразвуковые сигналы в живой природе также используются некоторыми животными для общения: киты, слоны. Инфразвук распространяется на большие расстояния во всех средах и мало подвержен поглощению.

Применение ультразвука и инфразвука

Ультразвук известен людям давно, но лишь сравнительно недавно активно используется в медицине, производстве и научных исследованиях.

Источники получения ультразвука делятся на природные и техногенные. Среди способов получения ультразвука:

Механические — струны, трубы, эластичные пластины.
Термические — импульсный ток и электрические разряды в жидкостях и газах при постоянном повышении температуры.
Отпические — лазер.

Инфразвук находит меньшее практическое применение и обладает негативными последствиями от воздействия на организм. При высоких уровнях инфразвука могут возникать чрезмерная утомляемость, сонливость, агрессия, ощущение давления в ушах. Воздействие инфразвука на человека особенно пагубно, если интенсивность инфразвука высокая. При уровне в 180—190 дБ действие инфразвука смертельно. Тем не менее, чувствительность каждого человека к инфразвуку индивидуальна, а обычные уровни инфразвука в повседневной жизни не могут нанести серьезного вреда здоровью.

Пример

Летучая мышь издает ультразвук частотой ϑ=45 кГц и летит перпендикулярно стене со скоростью v=6 м/с. Какова частота отраженного ультразвука, который услышит мышь? Скорость звука в воздухе принять равной с=340 м/с.

Решение:

Согласно с эффектом Доплера, частота отраженного звука определится соотношением:

ϑ1=с+vc-vϑ=340+6340-645·103=46,6 кГц.

Зоологи выяснили, как слоны производят инфразвуки — Российская газета

Ученые изучили механизм извлечения звуков, который используют слоны в общении с сородичами. Выяснилось, что этот механизм очень схож с человеческим. Слоны так же, как люди, используют гортань и связки для голосовых сигналов.

Известно, что слоны — очень коммуникабельные животные с достаточно высоким интеллектом. Они часто общаются между собой и издают различные звуки. Причем не только трубят во весь хобот, что отлично слышно всем, но и общаются посредством низких, инфразвуковых сигналов в диапазоне менее 20 герц, которые человек обычно не может уловить или улавливает только какую-то их часть.

Как выяснили ранее исследователи, «слоновьи инфразвуки» передают больше информации, чем простые «я здесь», «привет» или «иди сюда». Они могут использовать более сложные сигналы для того, чтобы, например, прогнать от своего стада чужаков. Исследователи также обнаружили, что подчиненные слоны повышают частоту звука в ответ на позывные доминирующих животных.

Тем не менее до сих пор ученым не было известно, как же слоны, собственно, производят инфразвуки. Некоторые считали, что слоны, подобно мурлыкающим кошкам, используют прерывистые сокращения мышц голосового аппарата. Другая гипотеза утверждала, что инфразвуки возникают за счет колебаний голосовых связок под действием потока воздуха из легких, как у человека.

Кристиан Хербст из университета Вены совместно с коллегами из Германии, Австрии и США использовали гортань умершего слона, чтобы воссоздать инфразвук в условиях лаборатории. Результаты исследования были опубликованы в Science.

Зоологи провели эксперимент, во время которого сымитировали работу легких, пропуская через вырезанную гортань слона поток воздуха. Получавшийся звук улавливался микрофоном, а положение голосовых связок снимала высокоскоростная видеокамера.

«Мы показали, что звуки низкой частоты могут возникать за счет потока воздуха, который создает самоподдерживающиеся колебания голосовых связок… что исключает необходимость в существовании каких-либо «мурчащих» механизмов (образования звуков за счет сокращения мышц)», — говорится в статье. Таким образом, удалось установить, что слоны извлекают звуки так же, как люди и другие млекопитающие.

Справка

Слоны — самые крупные животные на Земле, обитающие в Индии и Африке. Гиганты делятся не на два вида, как считалось ранее, а на три: саванный (африканский) слон, лесной (африканский) слон и индийский слон.

Слоны считаются социальными животными. Они образуют группы из самок и детенышей, возглавляемых старой и опытной самкой. Самцы образуют отдельные стада. Взрослый самец может временно присоединяться к стаду с самками, в котором есть хотя бы одна самка, готовая к зачатию.

Животные обладают музыкальным слухом и музыкальной памятью, они способны различать мелодии из трех нот.

Интересный факт

Благодаря умению распознавать инфразвуки многие слоны спаслись во время катастрофического цунами в 2004 году. По мнению ученых, животные смогли уловить инфразвук, возникший в результате этого катаклизма.

Измерение инфразвука и ультразвука на рабочих местах — заказать в Москве и области

Инфразвук — звуковые волны, с низкой амплитудой колебаний, которые не воспринимается человеческим ухом. Так как оно улавливает частоты звука в диапазоне от 16 Гц, что является верхним приделом этих волн. Нижний же 0,001 Гц соответственно. Верхний придел возможности слуха человека составляет 20 тысяч Гц, а волны превышающие эту частоту колебаний называют ультразвуком, который соответственно тоже не слышен человеку. Согласно закону РФ каждое предприятие обязано придерживаться программе производственного контроля. Соблюдать нормы «измерения инфразвука и ультразвука на рабочих местах». Инфразвук классифицируют по спектрам: широкополосный и тональный инфразвуковые колебания. Также инфразвуковые колебания делят на постоянные и непостоянные уровни звукового давления. «Ультразвук» может распространяется по воздуху, а также по средствам контактов с источником колебаний. Контактный ультразвук исследуют на заводах — изготовителях оборудования и прописывают данные в технические паспорта с указанием результатов измерений.Измерение уровней воздушного ультразвука проводят на рабочих местах при стандартных условиях работы с оборудованием и при интенсивной нагрузке на оборудование. Измерительный прибор располагают по росту работника. Замеры проводят не реже трёх раз и выводят среднее значение каждой точки.

Ультразвук делят на низкочастотные и высокочастотные колебания. Низкочастотные используют для:

1. Очистки деталей от загрязнений,
2. Для защиты котлов от накипи,
3. Для обработки алмазов,
4. И хрупких материалов
5. Для обработки семян,
6. Стерилизации инструментов.

Высокочастотные колебания для:

1. Определения дефектов отливок
2. Сварных швов, пластмасс,
3. Структурных анализов веществ.
4. Для диагностики и лечения различных заболеваний.

Работа с ультразвуком не безопасна для здоровья человека. Влияние его тоже зависит от способа распространения ультразвуковых колебаний и времени воздействия ультразвука на организм. Воздушное распространение ультразвука может вызывать изменение состава крови, вызвать расстройства центральной нервной и эндокринной систем. При постоянном действии контактного колебания на человека нарушается капиллярное кровообращение, снижается болевой порог при этом может возникнуть бессонница.

Инфразвук. Физическая и гигиеническая характеристика.

Инфразвук представляет собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде с частотами ниже 22 Гц. Этот частотный диапазон лежит ниже порога слышимости. Человеческий слуховой анализатор не способен воспринимать колебания указанных частот. В условиях производства инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, в ряде случаев с низкочастотной вибрацией.

Инфразвуковые колебания подчиняются в основном тем же закономерностям, что и звуковые, но низкая частота колебаний придает им некоторые особенности:

Ø Инфразвук имеет во много раз большие амплитуды колебаний, чем акустические волны при равных мощностях источников звука;

Ø Инфразвук распространяется на большие расстояния от источника генерирования ввиду слабого поглощения его атмосферой;

Ø Большая длина волны делает характерным для инфразвука явление дифракции. Благодаря этому инфразвуки легко проникают в помещения и обходят преграды, задерживающие слышимые звуки;

Ø Инфразвуковые колебания способны вызывать вибрацию крупных объектов вследствие явлений резонанса.

Инфразвук характеризуется такими же параметрами, как и шум. Чем больше амплитуда колебаний, тем больше инфразвуковое давление и соответственно сила инфразвука. Инфразвук характеризуется частотой колебаний, которая измеряется в герцах (Гц). Уровень интенсивности инфразвука выражается в децибелах (дБ). Важной характеристикой инфразвука является энергетический спектр его мощности, т.е. распределение её по частотам.

Воздействию инфразвука человек может подвергаться во время работы и в период отдыха. Многие явления природы – землетрясения, извержения вулканов, морские бури – генерируют инфразвуковые волны.

В современном производстве инфразвуковые колебания в настоящее время имеют широкое распространение. Они образуются при работе компрессоров, турбин, дизельных двигателей, электровозов, промышленных вентиляторов и других крупных машин и механизмов.

Промышленными источниками интенсивных инфразвуковых волн являются механизмы и агрегаты, имеющие поверхности больших размеров, совершающие вращательное или возвратно-поступательное движение с повторением циклов, менее чем 22 раза в секунду. (инфразвуки механического происхождения), и турбулентные процессы при движении больших потоков газов или жидкости (инфразвуки аэродинамического происхождения).

Многие производственные процессы сопровождаются излучением в окружающую среду интенсивных звуковых волн очень низких частот. Причиной их возникновения являются первоначальные возмущающие силы машин и механизмов. Спектры шума этих объектов имеют широкополосный характер с наибольшей звуковой энергией в области низких частот.

Мощным источников инфразвуковых волн в процессе работы компрессорных машин является воздухозаборная система. Спектры шума всасывания имеют четко выраженный гармонический характер на низких частотах и широкополосный на высоких.

Уровень звуковой мощности шума воздухозаборной системы прямо пропорционален мощности компрессора. Увеличение мощности компрессора вдвое повышает уровень звуковой мощности на 3 дБ.

Во многих случаях инфразвуковые колебания являются доминирующей частью спектра (по энергии) шума. В турбинах интенсивность шума на инфразвуковых частотах наиболее высока.

У виброплощадок основным излучателем звуковой мощности на низких частотах являются колебания подвижной рамы и формы с бетоном. Звуковая мощность на низких частотах и частоте вибрирования пропорциональна площади излучающей поверхности, перпендикулярной направлению распространения колебаний, в значительной мере она зависит от конструкции площадки.

Наименьшие уровни инфразвука и низкочастотного шума соответствуют виброплощадкам, конструкции которых близки к излучателю типа поршневой диафрагмы при отсутствии экрана.

Инфразвуковые колебания имеют место в авиационной и космической технике. Источниками инфразвука в авиации являются турбина и компрессор реактивного двигателя. Реактивные двигатели и ракеты генерируют высокие уровни инфразвукового давления с максимальной энергией в низкочастотной области спектра (в диапазоне от 1 до 100 Гц).

Выявление инфразвука на производстве проводят по следующим признакам:

Ø Техническим – высокая единичная мощность машины при сравнительно низком числе оборотов, ходов и ударов, флуктуация мощных потоков газов или жидкостей, передвижение по местности, агрофону или дорогам;

Ø Конструктивным – большие габаритные размеры двигателей или рабочих органов, наличие замкнутых объёмов, возбуждаемых динамически и т. д.

Ø Строительным – большие площади перекрытий или ограждений источников шума, наличие замкнутых изолированных кабин и т.д.

Ветроэнергетика и инфразвук. Результаты финского правительственного исследования

Истории

21 апреля 2020, 19:29

Ветроэнергетика и инфразвук. Результаты финского правительственного исследования

Воздействие звуков низкой частоты от ветряных турбин на здоровье людей является предметом многочисленных спекуляций. В Финляндии по заказу правительства было проведено масштабное исследование влияния инфразвука (звуковых волн, имеющих частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом) на здоровье.

Работа проводилась в рамках междисциплинарного сотрудничества финским Центром технологических исследований VTT, Национальным институтом гигиены труда, Университетом Хельсинки и Национальным институтом здравоохранения и социального обеспечения.

Проект состоял из трех этапов: опрос-анкетирование, долгосрочные измерения и эксперименты с прослушиванием.

Исследователи концентрировались на географических областях, где местные жители сообщали о симптомах, которые они связывали с инфразвуком от близлежащей ветровой электростанции.

Анкетное исследование было проведено Финским институтом здравоохранения и социального обеспечения. Ответы показали, что симптомы, интуитивно связываемые с инфразвуком ветровых турбин, были относительно распространенными (15%) среди людей, которые живут вблизи (≤ 2,5 км) от ветровых электростанций, и менее распространенными (5%) по всей обследуемой территории (≤ 20 км).

Согласно измерениям, звуковой ландшафт в радиусе примерно 1,5 км от ветровых турбин становился более «урбанизированным» с точки зрения звукового давления. В звуке внутри жилищ преобладали очень низкие частоты, менее 2 Гц (человеческое ухо способно слышать звуки от 16 Гц). Измерения продолжались в течение 308 дней в двух районах, где номинальная мощность ветряных турбин составляла от 3 до 3,3 МВт. Эквивалентный уровень непрерывного звукового давления инфразвука внутри домов варьировался от 67 до 75 дБ, а максимальное значение для 10-минутного эквивалентного уровня составляло 102 дБ. Из данных измерений были отобраны образцы инфразвука, которые можно было бы отнести к «наихудшим сценариям». Они использовались в тестах прослушивания.

Участники аудио-тестов были разделены на две группы в зависимости от того, что они сообщали о симптомах, связанных с ветровыми турбинами: 1) люди, которые страдали [якобы] от шумов, и 2) люди, у которых никогда не было симптомов. Участники не могли различить инфразвуковые частоты в шуме ветряных турбин, и наличие инфразвука не имело никакого значения в том, насколько раздражающим казался участникам шум, а их автономная нервная система никак не реагировала на него. Различия между результатами двух групп отсутствовали. Другими словами, и те, кто жаловались, и те, кто не жаловались, одинаково ничего не чувствовали [жалобы объясняются психологическими факторами, например, страхом и, возможно, наличием хронических заболеваний, не связанных с ветроэнергетикой].

Никаких доказательств воздействия инфразвука ветряных турбин на здоровье обнаружено не было – это основный вывод исследования.

Полученные данные улучшают понимание учеными природы шума ветряных турбин, особенно инфразвука, внутри помещений в разное время года, отмечают авторы. В процессе исследования были собраны уникальные и редкие звуковые данные, охватывающие частотный диапазон от 0,05 до 20 000 Гц в течение длительного и непрерывного периода.

Полный отчёт о результатах исследования будет опубликован к июню 2020 года.

Ранее сообщалось, что Финляндия поставила цель достичь «климатической нейтральности» к 2035 году.

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

Инфразвук связан с жуткими эффектами

Загадочно потухшие свечи, странные ощущения и дрожь по позвоночнику могут быть не из-за присутствия призраков в домах с привидениями, а из-за звука очень низкой частоты, который не слышен людьми. Британские ученые показали в контролируемом эксперименте, что сильный басовый звук, известный как инфразвук, вызывает у людей ряд причудливых эффектов, включая беспокойство, крайнюю печаль и озноб, что подтверждает популярные предположения о связи между инфразвуком и странными ощущениями.

«Обычно вы этого не слышите», — сказал в понедельник Ричард Лорд, ученый-акустик из Национальной физической лаборатории в Англии, который работал над проектом.

Лорд и его коллеги, которые произвели инфразвук с помощью 23-футовой (7-метровой) трубы и испытали его воздействие на 750 человек на концерте, сказали, что инфразвук также создается природными явлениями.

«Некоторые ученые предположили, что этот уровень звука может присутствовать в некоторых местах, предположительно посещаемых привидениями, и поэтому вызывать у людей странные ощущения, которые они приписывают привидениям — наши результаты подтверждают эти идеи», — сказал профессор Ричард Уайзман, психолог из Университет Хартфордшира на юге Англии.

РЕАКЦИИ НА ИНФРАЗВУК

Лорд и Уайзман исполнили четыре современных произведения живой музыки, в том числе некоторые с добавлением инфразвука, в лондонском концертном зале и попросили аудиторию описать свою реакцию на музыку.

Публика не знала, какие произведения включают инфразвук, но 22 процента сообщили о более необычных переживаниях, когда он присутствовал в музыке.

Их необычные переживания включали чувство беспокойства или печали, озноб по спине или нервное чувство отвращения или страха.

«Эти результаты показывают, что низкочастотный звук может вызывать у людей необычные переживания, даже если они не могут сознательно обнаруживать инфразвук», — сказал Вайзман, представивший свои выводы на научной конференции Британской ассоциации.

ПРИРОДНОЕ ЯВЛЕНИЕ

Инфразвук также создается штормами, сезонными ветрами, погодными условиями и некоторыми типами землетрясений. Животные, такие как слоны, также используют инфразвук для связи на большие расстояния или в качестве оружия для отражения врагов.

«Об инфразвуке было сказано очень много — он был связан практически со всем, от лучевого оружия до плохого вождения. Приятно иметь возможность исследовать доказательства », — сказала Сара Англисс, композитор и инженер, работавшая над проектом.

Вызов полиции в охотников за привидениями

определение инфразвука в The Free Dictionary

Слово акустика происходит от греческого слова akoustos, означающего «слышимый», хотя современная акустика также включает неслышимые механические колебания, инфразвук и ультразвук.Это может изменить инфразвук, излучаемый вулканом. Перед своим выступлением в Ко-Тироне на следующей неделе она сказала: «Наши исследования биологических эффектов инфразвука и низкочастотного шума начались в 1980 году. Конкретные детали, такие как открытие, что жирафы являются социальными. существа, способные общаться с помощью инфразвука (голосовые шумы, которые могут распространяться на большие расстояния, но настолько низкие, что они не могут быть услышаны людьми) помогают подключить считыватель к каждому отдельному жирафу. Если изменения давления воздуха имеют основные частотные составляющие ниже 20 Гц , что ниже нашего обычного диапазона слышимости, это называется «инфразвук».«На инфразвук наши тела реагируют иначе, чем мы на слышимый звук. В« Паракустике »Парсонс и Купер собрали воедино ряд глав, в которых рассматривается то, что известно об этих видах аномальных звуков, а также о таких явлениях, как инфразвук и электронный голос. явления, которые не могут быть услышаны невооруженным ухом, но могут быть изучены с помощью электронного оборудования. Он предлагает основу для понимания тела и его способности взаимодействовать со звуком, сформированным низкочастотными колебаниями, и обсуждает встречи с неслышными вибрациями, такими как инфразвук и другие звуки. -подобные модуляции природного или промышленного происхождения; религиозное использование низкочастотного звука в истории; и недавние светские творческие практики, которые исследуют потенциал низкочастотного звукового опыта, например, в искусстве и басовых культах.ИСЛАМАБАД — НАСА недавно зарегистрировало загадочные шумы, называемые «звуками инопланетян», с помощью инфразвуковых микрофонов в рамках студенческого аэростатного проекта «Ученые». С микрофоном, предназначенным для улавливания инфразвука, шумы ниже 20 Гц, которые не могут быть услышаны человеческими ушами, сообщает Telegraph Например, там, где для измерения инфразвука обычно требуются большие устройства размером с огнетушитель, изобретатели UAF создали небольшой и маломощный инфразвуковой микрофон, что делает эту технологию полезной для новых приложений. Мы знаем, что стрижи будут двигаться на сотни миль впереди погодного фронта. избегайте этого, но американские исследования показывают, что Соловки знали о надвигающихся торнадо с помощью инфразвука, который проходит через землю.Но Джоди была там; она видела, как все разворачивается, когда ее отец экспериментировал с инфразвуковыми волнами — низкочастотными звуками, которые люди не могут слышать — в рамках своего академического исследования паранормальных явлений.

Инфразвук: Ужасающая тональность | WDAV: из примечания

Оуэн Вуд

Как мой одноклассники демонстрируют в своих постах, что звуковой дизайн и музыка имеют решающее значение части фильмов ужасов. От использования тритонов до музыкальной сигнализации или бесплатного Атональность, слышимый звук имеет долгую историю создания ужасающих впечатлений для кинозрителей.Однако мы все еще очень напуганы и обеспокоены тем, что звуки, которые мы не можем услышать, известные как «Инфразвук».

Нормальный диапазон слышимости человека составляет от 20 до 20 000 Гц. Любой звук ниже 20 Гц известен как инфразвук. Инфразвук возникает естественным образом в результате водопадов, гроз, землетрясений и многих других явлений. Кроме того, инфразвук производится искусственными источниками, такими как самолеты, дизельные двигатели, системы вентиляции и др. [1]

Хотя мы можем слышать более высокие частоты, создаваемые этими объектами и событиями, мы не можем слышать частоты ниже 20 Гц.Тем не менее, мы по-прежнему воспринимаем эти звуковые волны через осязание так же, как мы ощущаем вибрации. Способность воспринимать инфразвук, не имея возможности явно «слышать» его, является тревожным явлением, поскольку его эффекты неожиданны [2].

В некоторых случаях эти эффекты ошибочно приписывают паранормальной активности и привидениям. Тэнди и Лоуренс обнаружили, что некоторые частоты инфразвука вызывают как физиологические (тошнота, головокружение и т. Д.), Так и психологические (беспокойство, тревожные мысли и т. Д.).) ответы, которые усиливают страхи и представления о паранормальной активности. [3]

Кинематографисты используют это ужасное явление в своих интересах. Используя сабвуферы в кинотеатрах, кинематографисты могут психологически и физиологически манипулировать зрителями, заставляя их испытывать чувство страха и неуверенности без их ведома. Профессор Ник Редферн обсуждает использование инфразвука в короткометражном фильме ужасов « Behold the Noose ». [4]

В фильме рассказывается, как депутат расследует убийство молодой девушки на хуторе.На протяжении всего фильма во всех сценах с участием депутата присутствует инфразвук 10-20 Гц, вызывающий чувство тревоги, связанное с его персонажем.

Ближе к концу фильма, когда депутат обнаруживает череп и ведет к его смерти, возникает инфразвук 5–10 Гц, представляющий усиливающееся чувство страха и тревоги депутата [5].

Этот прием можно использовать в кинопроизводстве разными интересными способами, например, вызвать тревогу перед серьезными страхами, усилить тревожные чувства во время тревожных сцен и даже как постоянный гул, который исчезает прямо перед прыжком, чтобы дать зрителям ложное чувство страха. безопасность.

Колебания частоты и амплитуды также являются компонентами использования инфразвука в фильмах ужасов, как это слышно в Behold the Noose . [6] Послушайте пример инфразвука ниже:

Инфразвук 17 Гц. Надев наушники, установите максимальную громкость и вдавите их пальцами в уши, чтобы почувствовать инфразвук.

Даже когда мы этого не слышим, музыка и звуковое оформление в игре ужасов важную роль в общем влиянии фильмов ужасов на зрителей.В виде в случае инфразвука, который может вызвать чувство страха и беспокойства, дополняют эффекты, которые визуальные и звуковые эффекты оказывают на кинозрителей. В следующий раз, когда вы будете смотреть фильм ужасов, подумайте о сценах, которые вызывают особый страх и дискомфорт, и подумайте о звуках, которые используются, поскольку их может быть больше, чем кажется на первый взгляд.

Старший Оуэн Вуд — двойная специальность по психологии и музыке из Уинстон-Салема, Северная Каролина. Мульти-инструменталист, Оуэн играет на барабанах в джазовом ансамбле, на басу в джазовом комбо, а также на тромбоне, фортепиано и гитаре.Оуэну нравится исполнять, сочинять и продюсировать широкий спектр музыкальных стилей от джаза до классики и всего, что между ними.

[1] У. Ландстрём, «Влияние человека на инфразвук» (доклад, представленный на inter.noise 2000: 29 ^{-й Международный конгресс и выставка по шумоподавлению}, 27-30 августа 2000 г., Ницца, Франция) , доступно онлайн.

[2] С. Т. Парсонс, «Инфразвук и паранормальные явления», журнал Journal of the Общество психических исследований 76/908 (2012), 150–74.

[3] Вик Тэнди и Тони Р. Лоуренс, «Призрак в машине», журнал Journal. для Общества психических исследований 62/851 (апрель 1988 г.), 37–57.

[4] — [6] Ник Редферн, «Количественный анализ звука в короткометражном фильме ужасов», июль 2015 г.

Мониторинг вулканических кратеров с помощью инфразвуковой «музыки»

Вулкан Вильяррика в Чили внезапно извергся 3 марта 2015 года, извергнув лавовый фонтан высотой более 2 километров. Извержение — первое за 30 лет в Вильяррике — было неожиданным с точки зрения его быстрого начала и силы.Это было также на удивление недолгим. В течение часа взрывная деятельность прекратилась. Примерно через месяц вулкан вернулся в свое обычное состояние, которое представляло собой бурлящее лавовое озеро, расположенное глубоко внутри кратера на вершине с крутыми стенами.

Теперь мы понимаем, что изменяющиеся звуки Вильяррики служили предупреждением о том, что в кратере поднимается лава. Прогнозирование таких сильных извержений является святым Граалем для прикладной науки о вулканах. С этой целью вулканологи используют сейсмометры для обнаружения подземных толчков, наклономеры и GPS для определения вздутия, а также мультиспектральные детекторы для отслеживания выхода газа и тепла.Инфразвуковые датчики, которые регистрируют низкочастотные звуки, издаваемые вулканами, становятся все более важным компонентом этого разнообразного набора инструментов.

Вулканологи традиционно использовали инфразвуковое наблюдение как для подсчета взрывов, так и для отслеживания интенсивности извержений, что важно, когда вид на вулкан закрыт [ Fee and Matoza , 2013; Johnson and Ripepe , 2011]. Недавние исследования показали, что инфразвуковой мониторинг также может использоваться для выявления важных предвестников извержения [e.g., Ripepe et al. , 2018]. Вильяррика указала на свои волнения по изменяющемуся характеру инфразвука. Теперь мы понимаем, что меняющиеся звуки Вильяррики предупреждали, что внутри кратера поднимается лава [ Johnson et al. , 2018а].

Эти наблюдения были выполнены случайно в рамках спонсируемого Национальным научным фондом исследовательского проекта Volcano Acoustics: From Vent to Receiver, который изучал распространение инфразвука, производимого в Вильяррика, на большие расстояния.Во время полевой экспедиции 2015 года мы установили датчики на вершине и склонах вулкана. Несмотря на то, что извержение 3 марта разрушило базу на высшем уровне, датчики за пределами зоны повреждения собрали данные, которые позволили получить полную хронологию роста беспорядков из-за вулкана.

Вулканы как гигантские музыкальные инструменты

Вулканы издают инфразвук, низкочастотные звуки ниже порога человеческого восприятия. Несмотря на различное поведение извержения, многие вулканы излучают свои самые интенсивные звуки в пределах нескольких октав с частотой 1 герц, что соответствует длине звуковой волны в сотни метров.Неслучайно этот размер аналогичен размеру вулканических кратеров, которые играют решающую роль в модуляции излучаемого звука [например, Kim et al. , 2015].

Как и в случае с музыкальным рожком, тембр и высота звука вулкана зависят от формы кратера. Во многих отношениях вулкан похож на гигантский музыкальный инструмент. Как и в случае с вулканами, размер музыкального рожка регулирует высоту звука, который он издает: более крупные рога издают звуки более низкого тона. Музыкальные звуки имеют тенденцию быть приятными из-за резонанса рожка; Волны давления воздуха, колеблющиеся взад и вперед по длине медной трубки, громко выступают из раструба.Форма вспышки колокольчика важна и определяет, будет ли нота резкой и короткой или насыщенной и реверберирующей. Это качество, не зависящее от частоты или громкости ноты, в широком смысле называется тембром.

Как и в случае с музыкальным рожком, тембр и высота звука вулкана зависят от формы кратера. Вулканы с глубокими кратерами имеют тенденцию издавать низкочастотные звуки, тогда как мелкие кратеры излучают более высокочастотные звуки [ Spina et al. , 2014; Richardson et al., 2014]. Узкие каналы часто резонируют в течение длительного времени, но широкие, похожие на тарелки кратеры могут вообще не отражаться. Хотя источники вулканического звука могут быть разными, вентиляционные отверстия на дне кратера, выступающие в качестве мундштуков, часто генерируют инфразвук. Сильный выброс газа из жерл или с поверхности лавового озера может вызвать резонанс кратера.

Вулканические волнения и изменение качества звука Рис. 1. За несколько дней до взрыва в Вильяррике 3 марта 2015 года характерный инфразвук взрыва вулкана изменился (вверху и внизу).Цветные диски представляют собой пространственные эквиваленты соответствующих временных рядов инфразвука, которые были записаны в 4 км от источника; 2 марта колебания в основном отсутствуют. Волновые формы 27 февраля имели четко выраженные колебания, которые в основном отсутствовали к 2 марта (середина). Драпированная топография была создана авторами на основе цифровой модели рельефа Shuttle Radar Topography Mission с использованием изображения, полученного в обсерватории Земли НАСА. VID и VIC — это станции, которые записали данные формы сигнала.

Инфразвук вулкана заслуживает особого внимания, если он меняется с течением времени.Это может произойти, когда вулканы меняют свою форму, когда стены кратера опускаются, полы разрушаются или озеро лавы поднимается и опускается. Например, считается, что динамизм лавового озера Вильяррики ответственен за изменение инфразвука, приведшее к сильному извержению в 2015 году. Колебания частоты ранее приписывались колебаниям стадий лавового озера [ Richardson et al. , 2014], но в 2015 году ученые отметили систематические изменения, которые привели к сильнейшему извержению 3 марта. Исследование Johnson et al .[2018a] сообщил о двух основных наблюдениях: частотный состав звуков увеличился примерно 1 марта (с 0,7 до 0,95 герц) и изменился тембр (рисунок 1). До 1 марта реверберация была очевидна, но потом звук стал похож на глухой. Другими словами, акустический источник кратера погас.

Кратер Вильяррики напоминает воронку с конической верхней частью и узким каналом внизу. Отсутствие резонанса в начале марта важно, так как согласно численным моделям это означает высокое стояние лавового озера, расположенное рядом с горящей частью кратера.Во время типичного фонового состояния Вильяррики поверхность лавового озера глубже и часто скрыта внутри шахты с вертикальными стенами. К 2 марта инфразвуковые сигналы предполагают, что озеро лавы приближалось к краю кратера; рог превратился в громкоговоритель, как показано на видео ниже.

Спусковой механизм для драматического фонтана лавы 3 марта, который начался в 3:00 утра по местному времени, остается загадочным, но конечным результатом стал сильный пароксизм, который вызвал материальный ущерб, вынудил тысячи людей покинуть этот район и попал в заголовки мировых газет. .Инфразвуковые наблюдения показали, что поверхность лавового озера достигла высокого уровня за несколько дней до извержения. Эти идеи могут помочь нам предвидеть будущие извержения вулканов с открытым жерлом.

Резонанс вулкана на стероидах

Каждый вулкан имеет уникальную инфразвуковую подпись. По сравнению с вулканом Вильяррика, резонанс которого в течение нескольких дней эволюционировал от заметного до отсутствующего, инфразвук от эквадорского вулкана Котопакси был примечателен тем, что в 2016 году он постоянно звенел (рис. 2).Инфразвуковые колебания Вильяррики продолжались в совокупности несколько секунд, но единственное колебание на Котопакси длилось 5 секунд. В некоторых инфразвуковых сигналах было обнаружено до 16 колебаний, которые длились, что невероятно, более минуты (Рисунок 3).

Рис. 2. Фотографии вулканов Котопакси и Вильяррика и спутниковые снимки из обсерватории Земли НАСА показывают относительный размер их вершинных кратеров, которые производят дискретные инфразвуковые сигналы. Желтые квадраты на обоих спутниковых снимках составляют 1 квадратный километр.Предоставлено: фотоархив Международной космической станции НАСА (снимок со спутника Котопакси), Земная обсерватория НАСА Рис. 3. Временной ряд инфразвукового сигнала иллюстрирует природу резонанса в Вильяррика и Котопакси (вверху слева). Каждая форма волны представляет собой составной стек из 50 событий, которые произошли в течение 1 дня в Вильяррика и в течение 6 месяцев в Котопакси. Детали первых 10 секунд этого временного ряда показывают контраст в звуковых сигнатурах двух вулканов (вверху справа). Пик частотного спектра равен 0.2 герца для Котопакси и 0,75 герца для Вильяррика; коэффициенты демпфирования α указывают постоянную времени для характеристики затухания в обратных секундах (внизу).

.
.
.
.

В исследовании событий на Котопакси, зарегистрированных в 2016 году, эти прекрасные сигналы называются infrasound tornillos, испанское слово, обозначающее винты, поскольку запись давления напоминает профиль винта [ Johnson et al. , 2018b]. Такие формы волны свидетельствуют об исключительно низком затухании и, следовательно, о высокой добротности кратерного акустического источника.(Источники с более высоким коэффициентом качества имеют меньшее демпфирование, и они дольше звонят или вибрируют.)

Если Вильяррика похожа на большой тромбон с длиной свинцовой трубы, которая меняется со временем, то Котопакси похож на гигантскую тубу, с относительно неизменными размерами в течение большей части 2015 и 2016 годов. После взрывов в августе 2015 года открылся кратер Котопакси, видимый канал простиралась круто вниз от вершины высотой 5900 метров. В течение первой половины 2016 года дно кратера не было видно самолетам, пролетавшим над вершиной.Воздушные наблюдения показали кратер с вертикальными стенками глубиной не менее 200 метров, размер которого подтвержден моделированным инфразвуком, который предполагает 350-метровую шахту.

Источники кратерного резонанса Путь

Инфразвука от источника вулкана к приемнику можно понять, только рассматривая драматические модулирующие эффекты, создаваемые топографией кратера [ Kim et al. , 2015]. Наиболее вероятно, что как впечатляющие торнильо Котопакси, так и приглушенные колебания Вильяррики вызваны кратковременными импульсами, возникающими на дне их кратеров.Резкий взрыв или импульс содержит широкий спектр частот; однако хорошо выдерживаются только те, которые возбуждают кратер в резонансе.

Как правило, ученые-вулканы, которые анализируют удаленные записи инфразвука, обычно меньше заинтересованы в колебательном «дыхании» выходного отверстия кратера (то есть в его инфразвуковом резонансе), чем в получении важной информации об источнике взрыва, например о его продолжительности или потоке массы. Именно эта информация способствует нашему растущему пониманию того, как газ накапливается и отделяется от магмы и как он вызывает вулканические взрывы.

Однако, благодаря недавним достижениям в понимании акустических эффектов кратеров, мы лучше подготовлены к восстановлению важных параметров, связанных с источниками взрывов. Котопакси и Вильяррика представляют собой лишь два из десятков действующих вулканов по всему миру, где инфразвук способствует нашему фундаментальному пониманию динамики извержений и нашей способности прогнозировать пароксизмы в будущем.

Благодарности

Эта работа частично финансировалась грантами Национального научного фонда EAR-0838562 и EAR-1830976, а также Программой стипендий Фулбрайта.

NOAA ESRL Infrasonics Program: Лаборатория физических наук NOAA

Infrasonics — это исследование звука, находящегося за пределами диапазона человеческого слуха. Эти низкочастотные звуки производятся различными геофизическими процессами, включая землетрясения, сильные погода, вулканическая активность, геомагнитная активность, океанские волны, лавины, турбулентность на высоте, и метеориты, а также некоторые искусственные источники, такие как самолеты и взрывы.

Инфразвуковой и почти инфразвуковой звук может обеспечить предварительное предупреждение и мониторинг этих экстремальных События.

Мы занимаемся разработкой и внедрением инфразвуковых инструментов. для обнаружения и мониторинга низкочастотного звука, генерируемого несколькими важные антропогенные и геофизические процессы. Сильный акцент делается на опасных геофизических явлений с целью улучшения базовых знаний и ранние предупреждения. Мы продемонстрировали, что лавины в Скалистых горах Горы могут быть обнаружены и локализованы с помощью инфразвукового массива на равнины возле Боулдера. Используя аналогичный массив, мы продемонстрировали, что торнадо на высоких равнинах можно обнаружить за несколько минут до их касания, таким образом демонстрируя ценный инструмент для предоставления заблаговременных предупреждений для жители в регионах, подверженных торнадо.Мы проводим теоретические исследования механизмы инфразвуковых источников для оптимизации систем обнаружения и идентификация. Объектом одного исследования является соотношение между инфразвук, спрайты и другие временные люминесцентные явления, связанные при суровой погоде. Другое исследование посвящено методам снижения слышимого шума. (например, вдоль автомагистралей) с использованием как активных, так и пассивных методов. Обычно мы сотрудничаем с другими организациями в NOAA, другими государственные учреждения, университеты и зарубежные ученые.Например, мы участвуем в совместном исследовании с армянским ученые исследуют предвестники землетрясений, и мы попросили помочь с системой мониторинга договора о запрещении ядерных испытаний. Мы также сотрудничаем с другими исследовательскими группами в этой области. эксперименты, например, с использованием системы радиоакустического зондирования (РАСС) и Лидар. Возможные исследования и разработки включают: инфразвуковые наблюдения. из Peacewing платформы, инфразвуковые измерения других планетных атмосферы, и океанские волны генерировали инфразвук с акцентом на цунами обнаружение.

Интернет-публикаций:

Часто задаваемые вопросы о торнадо
Низкочастотная атмосферная акустическая энергия, связанная с вихрями, создаваемыми грозами A.J. Бедард, Ежемесячный обзор погоды, т. 133, 241-263.
Атмосферный инфразвук, A.J. Бедард-младший и Т. М. Джорджес, Physics Today, март 2000 г. (18M PDF)
Инфразвуковое и ближнее инфразвуковое зондирование атмосферы и построение изображений A.J. Bedard Jr. Proc. Симпозиум по исследованиям в области электромагнетизма, 13-17 июля 1998 г., Нант, Франция, 4-й Международный семинар по радиолокационной поляриметрии (1998)
Проект MCAT (Вызванная горами турбулентность ясного воздуха): история вопроса, цели, Приборы и методики A.J. Bedard Jr. и P. Neilley, Proc. 8-я конф. Mountain Meteorol., Флагстафф, Аризона, 3-7 августа 1998 г.
Источники сигнатур инфразвуковых торнадо
Плакат с обзором Infrasonics
HARPO: универсальный трехмерный Гамильтонова программа трассировки лучей для акустических волн в океане с Нерегулярное дно Р. Майкл Джонс, Райли, Дж. П., Джорджес, Т. М., Министерство торговли США, октябрь 1986 г.
HARPA: универсальный трехмерный Гамильтонова программа трассировки лучей для акустических волн в атмосфере Над неровной местностью R.Майкл Джонс, Райли, Дж. П., Жорж Т. М., Министерство торговли США, август 1986 г.
Сейсмический отклик инфразвуковых микрофонов А.Дж. Бедард, Журнал исследований Национального бюро стандартов, C. Инженерное дело и приборы Vol. 75C, № 1, январь-март 1971 г.

Глубоко в инфразвук: проект прослушивания слонов

Трехмерная модель звуков, издаваемых лесными слонами во время спаривания на лесной поляне Дзанга, Центральноафриканская Республика.Самые низкие частоты слева. Высота пиков показывает, сколько энергии содержится на этой частоте.

Инфразвук — это звук, находящийся за пределами диапазона человеческого слуха. Частота звука измеряется в герцах (Гц = циклы в секунду), а инфразвуковой диапазон включает все звуки ниже 20 Гц. Хотите проверить свой слух? Ниже приведены три чистых тона, сгенерированных компьютером. Большинство из вас услышат тон 30 Гц, но чтобы услышать 20 Гц на пределе человеческого слуха, вам могут понадобиться наушники / вкладыши!

	Ошибка медиаплеера Обновите браузер или плагин Flash
	Ошибка медиаплеера Обновите браузер или плагин Flash
	Ошибка медиаплеера Обновите браузер или плагин Flash

Факты:

Все взрослые слоны могут делать инфразвуковые звонки.
Грохот слона обычно имеет много гармоник — кратных основной частоте — и люди могут услышать их, если звонок громкий.
Другие животные, издающие инфразвуковые звуки, включают китов, носорогов, жирафов и аллигаторов.
Инфразвук также возникает в результате извержений вулканов, землетрясений, сходов лавин и откалывания айсбергов.
Деятельность человека, излучающая инфразвук, включает опоры больших кораблей, звуковые удары и ветряные турбины.
Инфразвуковые вызовы могут передаваться на большие расстояния — даже через Атлантический океан из Южной Америки в Африку в случае с синим китом!

Как мы узнали, что слоны используют инфразвук?

Когда слоны слушают, они, как правило, широко вытаскивают уши и держат их неподвижно. Но когда они грохочут, они часто хлопают ушами, давая нам понять, что кто-то говорит, даже когда мы их не слышим.

Открытие инфразвуковой связи между слонами произошло из-за предчувствия Кэти Пейн во время посещения зоопарка Вашингтон-Парк в Портленде, штат Орегон.Наблюдая за азиатскими слонами, Кэти почувствовала вибрацию в воздухе и предположила, что она скорее чувствует, чем слышит, как слоны общаются.

Дальнейшая работа в зоопарке с Уильямом Лангбауэром-младшим и Элизабет Томас показала, что слоны действительно издают инфразвуковые крики (1). Позже это было подтверждено экспериментами по воспроизведению диких африканских слонов в сотрудничестве с Расселом Шарифом, Лизой Рапапорт и Феррелом Осборном (2). Был сделан вывод, что слоны используют свои мощные, глубокие звуки в общении на расстоянии для координации групповых движений и поиска особей в репродуктивном состоянии.Увлекательные наблюдения Майкла Гарстанга и его коллег за слонами в чрезвычайно засушливом регионе Намибии позволяют предположить, что они могут использовать инфразвук, производимый далекими грозами, для поиска воды в периоды засухи (3).

Лесные слоны и инфразвук

Эксперименты по воспроизведению в саваннах Восточной Африки продемонстрировали, что слоны в саванне реагировали на звуки друг друга на расстоянии 2 км, и, поскольку трудно воспроизвести крики слона так громко, как сами слоны могут кричать, Лангбауэр, Пейн и его коллеги оценили фактическая дальность обнаружения — 4 км (2).Это означает, что грохот слона может достигнуть членов семьи в любом месте на площади 50 кв. Км вокруг звонящего!

Время, частота и мощность (громкость или амплитуда) вокализации слона также оказываются важными. Распространение звука очень низкой частоты может зависеть от атмосферных условий, скорости и направления ветра, а также от характеристик земли, на которой стоят слоны. Кроме того, на обнаружение вызовов приемником влияют фоновые звуки в окружающей среде.Типичным вечером в сухой сезон в саванне образуется температурная инверсия, которая по сути действует как потолок и отбрасывает звуковые волны обратно вниз к земле (и приемнику), потенциально увеличивая зону прослушивания слонов в десять раз — с 30 кв. км. в полдень до 300 кв. км. в тот же вечер (4). В свете этого факта интересно, что слоны саванны издают большую часть своих громких низкочастотных криков в часы наилучшего распространения звука (4). Мы не знаем, является ли это врожденной или оппортунистической реакцией на колебания размера их области общения, но в любом случае ясно, что по мере того, как область сокращается и расширяется, сеть потенциальных партнеров и партнеров, с которыми можно было бы связаться. акустически.

В лесу еще большие проблемы! В окружающей среде, в которой бродят лесные слоны, может быть не так много проблем, связанных с нарушением распространения звука ветром, но плотность и разнообразие других акустически активных видов создают очень громкий фон. Тем не менее, как показано на рисунке ниже, низкие частоты в грохоте слона все же проходят долгий путь через лес, даже несмотря на то, что деревья могут быть настолько густыми, что слонов невозможно увидеть.

На этом рисунке показано, как низкочастотные вызовы могут распространяться дальше, чем высокочастотные вызовы, которые легче отражаются и поглощаются растительностью.

ELP недавно измерил, насколько хорошо грохот лесных слонов проходит через тропические леса в Центральной Африке. Мы использовали записи с акустической системы, разнесенной по лесной поляне в Габоне. Массив позволил нам точно определить пространственно, где был произведен каждый записанный вызов, и исходя из этого мы могли вычислить расстояние, которое вызов должен был пройти до каждого из записывающих устройств.Регистраторы находились на разных расстояниях от каждого звонка, поэтому, измеряя амплитуду звонка на каждом расстоянии, мы могли оценить, сколько энергии было потеряно, когда звук распространялся через лес.

По нашим оценкам, расстояние обнаружения в этом тропическом лесу на намного меньше, чем в саванне — всего около 800 метров (а не 4 километра). Но это было почти полностью из-за относительно высокого уровня фонового шума, на котором слону нужно было бы распознать грохот.Когда в лесу было наиболее тихо, грохот можно было услышать на расстоянии более 3 км. Это имеет большое значение для того, как лесные слоны координируют взаимодействия между подгруппами семьи и между потенциальными партнерами (5).

Чем отличается эта находка от того, что было обнаружено со слонами в саванне? Возможно, не так сильно, как может показаться на первый взгляд. Эксперименты в саванне в основном проводились в оптимальных условиях окружающей среды при слабом ветре или его отсутствии. И в отличие от исследований в саванне, в которых использовались эксперименты по воспроизведению, чтобы определить, распознают ли слоны звук по поведению, мы должны были сделать предположения о слуховой чувствительности слонов, что никогда не было точно измерено.Есть некоторые теоретические причины полагать, что животные очень хорошо извлекают акустические сигналы из фона, поэтому лесные слоны могут работать намного лучше, чем мы предполагали.

Изучение коммуникации в лесных слонах

Артикул:

1. Пейн, К.Б., У.Р. Лангбауэр, Э.М. Томас (1986). Инфразвуковые крики азиатского слона ( Elephas maximus ). Behav. Ecol. Sociobiol. 18 (4): 297-301
2. Langbauer, W.R., et al. (1991). Африканские слоны реагируют на отдаленное воспроизведение низкочастотных звуков сородича.J. Exper. Биол. 157: 35-46
3. Garstang M., et al. (2014). Реакция африканских слонов (Loxodonta africana) на сезонные изменения количества осадков. PlosOne 9 (10): e108736
4. Larom, D., et al. (1997). Влияние приземных атмосферных условий на дальность и зону охвата звуков животных. J. Exp. Биол. 200: 421-431
5. Hedwig, D., M. DeBellis, P.H. Врег (2018). Не так далеко: ослабление низкочастотных вокализаций в среде тропических лесов предполагает ограниченное акустическое опосредование социального взаимодействия у африканских лесных слонов.Behav. Ecol. Sociobiol. 72 (3).

границ | Демультиплексирование инфразвуковых фононов с помощью настраиваемых магнитных решеток

Введение

Инфразвуковые волны распространены в природе повсеместно, они появляются в коммуникации между животными (фон Муггенталер и др., 2003; Барклоу, 2004; фон Муггенталер, 2013), природных явлениях, таких как землетрясения и извержения вулканов. (Garcés et al., 2003; Fee and Matoza, 2013; Nakano et al., 2018; Ripepe et al., 2018), а также искусственные системы, такие как машины и взрывы.Эти волны могут нанести большой ущерб окружающей среде, особенно если они возникают в результате природных явлений (Le Pichon et al., 2010). Расшифровка инфразвуковых волн может привести к потенциальному обнаружению различных природных явлений до их возникновения, предлагая своего рода систему раннего предупреждения путем их обнаружения. Фононные кристаллы и акустические метаматериалы, определяемые как искусственные устройства пространственных структур, могут манипулировать волнами в различных частотных диапазонах от нескольких герц до нескольких терагерц (Deymier, 2013; Maldovan, 2013; Hussein et al., 2014; Хелиф, Адиби, 2015). Эти фононные метаматериалы обычно состоят из периодически повторяющихся элементарных ячеек. Фононные кристаллы обладают способностью воздействовать на волны посредством брэгговского рассеяния (Kushwaha et al., 1993), в то время как метаматериалы используют резонансы для воздействия на волны (Liu et al., 2000). Волновые управляющие характеристики фононных кристаллов и акустических метаматериалов имеют множество потенциальных применений, включая вибрацию и звукоизоляцию (Yang et al., 2010; Mei et al., 2012; Ma et al., 2015), защита от сейсмических волн (Kim and Das, 2012; Brûlé et al., 2014), волновод (Torres et al., 1999; Rupp et al., 2007), частотная фильтрация (Rupp et al., 2010) акустические линзы (Molerón et al., 2014) и сенсоры (Ke et al., 2011; Amoudache et al., 2014).

Наличие рассеяния в фононных кристаллах и резонансов в метаматериалах приводит к появлению определенных частотных диапазонов, в которых волны не могут распространяться (т. Е. Запрещенных зон). В запрещенной зоне, основанной на рассеянии, размер элементарной ячейки должен быть того же порядка, что и длина волны целевой частоты.Обычно это превращается в структуру метрового размера, которая воздействует на волны на сверхнизких частотах (Brûlé et al., 2014). Метаматериалы на основе резонанса могут открывать запрещенные зоны, где длина волны заданной частоты не коррелирует с размером элементарной ячейки (то есть субволновые запрещенные зоны). Однако открывающаяся запрещенная зона на сверхнизких частотах может привести к резонатору с массой порядка многих килограммов (Palermo et al., 2016; Colombi et al., 2020) или жесткостью связи, которая может привести к усталости. Кроме того, большинство реализаций фононных метаматериалов имеют фиксированную рабочую частоту.Например, после изготовления образца его ширина запрещенной зоны не может измениться (Matar et al., 2013; Bergamini et al., 2014; Bilal et al., 2017a).

В этой статье мы используем настраиваемые решетки отражающих магнитов для направления и сортировки инфразвуковых волн по различным каналам в зависимости от их частот. Мы реализуем эти решетки, ограничивая метаатомы (свободно плавающие макроскопические диски со встроенными магнитами) в пределах магнитной границы. Мы контролируем расстояние между метаатомами, изменяя магнитный потенциал ограничивающей границы.Одни и те же метаатомы с разными постоянными решетки и интенсивностью связи могут иметь разные характеристики распространения волн по своей конструкции. В качестве демонстрации принципа мы экспериментально реализуем демультиплексор инфразвуковых фононов (то есть, направляя сверхнизкочастотные волны в разные каналы в зависимости от их частот). Создавая каналы с одинаковыми строительными блоками, но с разными граничными потенциалами, мы можем демультиплексировать инфразвуковые волны на основе их частот. Существует множество теоретических предложений по реализации фононных демультиплексоров (Pennec et al., 2004; Hussein et al., 2005; Pennec et al., 2005; Vasseur et al., 2011; Ростами-Доголсара и др., 2016; Zou et al., 2017; Моради и Бахрами, 2019; Бабаки и Назари, 2020; Бен-Али и др., 2020; Гариби и Бахрами, 2020; Motaei and Bahrami, 2020) с несколькими экспериментальными демонстрациями (Mohammadi and Adibi, 2011; Faiz et al., 2020; Bilal et al., 2020). Однако демультиплексирования инфразвуковых фононов не наблюдалось.

Методология проектирования

Чтобы спроектировать наш демультиплексор инфразвуковых фононов, мы начнем с рассмотрения элементарной ячейки, состоящей из диска с концентрически встроенным магнитом, называемого в дальнейшем метаатомами.Метаатомы заключены между двумя массивами фиксированных идентичных постоянных магнитов (рис. 1А). Фиксированные магниты создают граничный потенциал для удержания метаатомов на месте. Неподвижные магниты имеют одинаковую длину и . Две группы фиксированных магнитов разделены расстоянием b . И a , и b определяют положение равновесия метаатомов. Сборка этих метаатомов для заданных a и b приводит к возникновению различных запрещенных зон в частотном спектре.Изменяя значения a и b , мы можем изменить относительное положение полос пропускания и запрещенных зон. Каждая из этих схем (с заданными a и b ) может работать как выделенный канал для определенных частотных фононов, отклоняя при этом фононы в пределах частотных диапазонов запрещенной зоны. Мы подключаем несколько каналов, состоящих из разных конфигураций и и b , позволяя проходить только определенным частотам в каждом канале.В качестве демонстрации принципа мы соединяем три канала в Т-образной конфигурации, чтобы они работали как демультиплексор для инфразвуковых фононов (рис. 1D). Левый и правый переходы Т-образного волновода имеют несинхронные полосы пропускания и заграждения, в то время как вертикальный переход имеет полосу пропускания, охватывающую обе частоты полосы пропускания (рис. 1В). Например, при возбуждении вертикального перехода на частоте f1 в запрещенной зоне правого перехода волна распространяется только через левый канал (CH.1). Аналогично, при возбуждении вертикального перехода на частоте f2 в запрещенной зоне левого перехода волна распространяется только через правый канал (CH.3) (рисунок 1C).

РИСУНОК 1 . Концепт дизайна. (A) Схема элементарной ячейки, изображающая положения a и b , а также фиксированный и свободный магниты. (B) Спектр передачи канала 1 (синий), 2 (зеленый) и 3 (красный). (C) Визуальное представление двух разных частот (f1 и f2), проходящих через каналы. (D) Полная схема t-образного демультиплексора с f1 и f2, возбужденными в вертикальном канале (CH.2) и отсортированными по соответствующим каналам.

Результаты

Чтобы проанализировать наши магнитные решетки, мы сначала рассмотрим основной строительный блок нашей структуры, одиночный метаатом и его связь с границей. Мы используем теорему Блоха для построения дисперсионных кривых нашей магнитной решетки (Bloch, 1929). Дисперсионный анализ нашей элементарной ячейки учитывает взаимодействие ближайших соседей между метаатомами (вставка на рис. 2).Каждый метаатом (то есть диск со встроенным концентрическим магнитом) связан с четырьмя фиксированными граничными магнитами и одним другим, свободно движущимся метаатомом с каждой стороны. Каждый метаатом имеет две степени свободы (то есть движение в направлении x и y ). Дисперсионное уравнение для нашей системы можно записать как:

, где ω — частота, κ — волновое число, ϕ = [u v] T — вектор смещения Блоха в направлении x и y , M = [m00m] — матрица масс, а K — матрица жесткости (Jiao and Gonella, 2019):

K (κ) = 2∑i = 13 {f, d (di) ei⊗ei [δi1cos (κ⋅Ri) — 1]} + 2∑i = 13 {f (di) di (I − ei⊗ei) [δi1cos (κ⋅Ri) −1]}, (2)
где d1 = da — расстояние между метаатомами , d2,3 = db — расстояние между метаатомами и границей, δ — дельта-функция Кронекера, а ⊗ — диадическое произведение.Матрица жесткости в уравнении. 2 учитывает силы отталкивания между магнитными частицами по обратному степенному закону в форме f (d) = Adγ и f, d (d) в качестве своей первой производной. Для диполь-дипольного взаимодействия (Mehrem et al., 2017) A = 3μB2 / 4π, где μ — проницаемость воздуха, а B — магнитный момент. R1 = dae1, R2 = dbe2 и R3 = dbe3 — векторы решетки, а e1 = [1 0] T, e2 = [da / 2db b / 2db] T, и e3 = [- da / 2db b / 2db] T — единичные векторы.
РИСУНОК 2 .Кривые дисперсии. Численные кривые дисперсии как для сдвиговой, так и для продольной мод для решетки с a = 15,4 мм, b = 24,5 мм и м = 0: 118 г . Полосы запрещены серым цветом. На вставке показана элементарная ячейка n вместе с векторами ее решетки.
Дисперсионные кривые для примера магнитной решетки с a = 15,4 мм, b = 24,5 мм, γ = −4, m = 0,118 г и A = 1,0935 × 10−12 показывают полосу пропускания, зажатую между двумя запрещенными зонами (Рисунок 2 ). Дисперсионный анализ учитывает как продольные, так и сдвиговые моды.Две ветви на дисперсионных кривых коррелируют с двумя степенями свободы метаатомов. Обе ветви коррелируют с чистыми модами из-за диагонального характера проблемы собственных значений. Полоса пропускания на рисунке 2 показывает перекрытие обоих режимов. Нижняя запрещенная зона является результатом граничной связи, а верхняя запрещенная зона является частотой отсечки решетки. Ширина нижней запрещенной зоны может быть уменьшена до нуля в пределе исчезающей граничной связи (например, большая b ).Ширина полосы пропускания и ее положение в частотном спектре более чувствительны к взаимодействию между метаатомами, чем их связь с границей (то есть постоянной решетки a ). Более сильное влияние постоянной решетки a происходит из-за того, что изменение в a изменяет как da, так и db на вставке рисунка 2), в то время как изменение значения b изменяет только db. В дополнение к геометрическим параметрам решетки положение полосы пропускания может динамически настраиваться неразрушающими внешними факторами, такими как внешнее магнитное поле (Matar et al., 2013; Билал и др., 2017а; Билал и др., 2017b; Wang et al., 2018; Палермо и др., 2019; Wang et al., 2020).
Назначение демультиплексора — обеспечить распространение волн через входной канал с избирательным ослаблением волн в зависимости от их частот через выходные каналы. Для достижения такой функциональности мы проектируем входной канал с полосой пропускания, охватывающей все рабочие частоты, в то время как каждый выходной канал имеет полосу пропускания только в одном из рабочих диапазонов частот.Наши каналы демультиплексора спроектированы с использованием идентичных метаатомов с различной граничной связью b и шагом решетки a . Модификация a, и b, позволяет управлять положением запрещенной зоны в частотном спектре. Созданы три дизайна; исполнение 1 с размерами a и b , исполнение 2 с 0,75a и b и исполнение 3 с 0,75a и 0,75b. Дисперсионные кривые для каждого дизайна нанесены пунктирными красными линиями на (Рисунки 3A – C) на основе уравнения.1.
РИСУНОК 3 . Характеристика отдельных каналов. Экспериментально измеренные кривые дисперсии, построенные в виде контуров с числовыми кривыми дисперсии, наложенными в виде красных пунктирных линий для (A), , конструкция 1 с a = 15,4 мм, b = 24,5 мм, (B), , конструкция 2, с a = 11,5 мм, b = 24,5 мм, и C) , конструкция 3, с a = 11,5 мм, b = 18,4 мм. На вставках показаны использованные экспериментальные образцы. Измеренное нормализованное пропускание в центре решетки для D) конструкция 1, E) модель 2 и F) модель 3.Полосы пропускания заштрихованы серым.
Для экспериментальной проверки аналитически рассчитанных дисперсионных кривых мы изготовили три отдельные U-образные границы с параметрами дизайна от одного до трех из акрилового стекла с помощью лазерного резака (серия Full-Spectrum 24). Метаатомы (т.е. диски) идентичны во всех трех конструкциях с радиусом rdisk = 4 мм. Метаатомы помещены внутри границы, а магниты ориентированы северным полюсом вверх. Фиксированные магниты внутри границы ориентированы таким же образом.Чтобы минимизировать трение, мы прикрепляем стеклянные предметные стекла к нижней части каждого диска и плаваем их на воздушном подшипнике (New way S1030002). Каждая конструкция отдельно возбуждается ЛЧМ-сигналом от 0,1 до 10 Гц на открытом конце с помощью механического встряхивателя (Brüel and Kjr, 4180) и функционального генератора (Keysight Technologies 33512B). Движение дисков фиксируется камерой компьютерного зрения (Blackfly S USB3), а полученные изображения анализируются с помощью программного обеспечения для корреляции цифровых изображений (DICe).
Профили смещения всех метаатомов в каждой схеме (охарактеризованные отдельно) подвергаются последующей обработке с использованием быстрого двухмерного преобразования Фурье (2D-БПФ).Результирующее БПФ соответствует кривой продольной дисперсии каждой конструкции, поскольку в нашем анализе мы учитываем только смещение по оси x (рис. 3). Для всех трех случаев измеренные сигналы смещения через DICe показывают смещения в направлении y в том же порядке, что и шум. Экспериментальные кривые дисперсии для трех дизайнов хорошо совпадают с рассчитанными численно. Кроме того, мы наносим на график измеренное пропускание в центральном метаатоме в каждой схеме. Область полосы пропускания в спектре передачи хорошо совпадает с дисперсионными кривыми для всех трех конструкций.Схема 1 имеет полосу пропускания от 0,8 до 2,5 Гц, а конструкция 3 имеет полосу пропускания от 1,6 до 4,5 Гц. Обе конструкции имеют диапазоны рабочих частот, которые не перекрываются (например, ниже 1,6 Гц и выше 2,5 Гц). Схема 2 имеет полосу пропускания от 0,8 до 4,5 Гц, которая охватывает полосы пропускания как конструкции 1, так и 3. Этот диапазон полосы пропускания дает каналу 2 возможность действовать в качестве входного канала для нашего демультиплексора.
Чтобы проверить наш принцип проектирования, мы соединяем три отдельных канала, состоящих из конструкций 1, 2 и 3.Отметим, что метаатомы ведут себя как самособирающийся жидкий материал. Следовательно, как только три конструкции объединяются в Т-образном соединении, положения равновесия метаатомов изменяются. Чтобы гарантировать, что положение метаатома в каждой элементарной ячейке как можно ближе к положению равновесия, как в отдельных экспериментах, мы добавляем дополнительный метаатом и граничный магнит в точке соединения. Для проверки рабочих частот Т-образной сборки возбуждаем входной канал (конструкция 2) ЛЧМ-сигналом от 0.От 1 до 10 Гц. Быстрое преобразование Фурье выполняется для смещений центральных метаатомов в каждом канале и повторяется в общей сложности в трех попытках (рисунки 4A – C). БПФ трех испытаний вместе с его средним значением для каждого канала отображается в логарифмической шкале (рисунки 4D – F). Передача по каналу 1 составляет от 0,9 до 2,3 Гц, по каналу 2 — от 0,8 до 3,4 Гц, по каналу 3 — от 1,7 до 2,7 Гц. Рабочая частота каждого канала немного изменилась. Это может быть связано с дисбалансом силовых потенциалов между различными каналами, который вызывает сдвиг в положении равновесия каждого метаатома.
РИСУНОК 4 . Передача ЛЧМ-сигнала через демультиплексор. Быстрое преобразование Фурье смещения центрального метаатома и их среднее значение по трем испытаниям для (A, D), канал 1, (B, E) канал 2 и (C, F) канал 3. Входной канал возбуждается ЛЧМ-сигналом от 0,1 до 10 Гц. На вставке показан соответствующий канал в Т-образном демультиплексоре.
Чтобы охарактеризовать характеристики демультиплексора на одной рабочей частоте, мы возбуждаем входной канал двумя синусоидальными волнами по отдельности и измеряем передачу на каждой выходной клемме (рис. 5A).Сначала устройство возбуждается с частотой f1 = 1,1 Гц, соответствующей рабочей частоте для канала 1 (слева). БПФ смещения центральных метаатомов в каждом канале показывает четкую передачу волны от канала 2 к каналу 1, в то время как волна ослабляется на канале 3 (рисунок 5B). При возбуждении на частоте f2 = 2,4 Гц волна передается через канал 3, а ослабляется в канале 1 (рисунок 5C). Передаточное число (T) при f1 составляет 0,88, рассчитанное как TCh2 / TCh3, а передаточное отношение при f2 равно 0.59, рассчитывается как TCh4 / TCh3. Коэффициент передачи ослабленных сигналов на каналах 1 и 3 составляет 7 и 1% соответственно. Мы объясняем относительно более низкий коэффициент передачи через канал 3 (по сравнению с каналом 2) асимметрией связи в точке соединения между тремя каналами. Мы отмечаем наличие второй и третьей гармоник частоты возбуждения на рис. 5B, C из-за внутренней нелинейности магнитных решеток. Такой нелинейный отклик можно использовать, увеличивая амплитуду возбуждения и вводя дефекты в решетку (Boechler et al., 2011; Мехрем и др., 2017; Deng et al., 2018; Molerón et al., 2019; Чонг и др., 2020; Цзяо и Гонелла, 2020).
РИСУНОК 5 . Инфразвуковой демультиплексор. (A) Экспериментальная установка для Т-образного демультиплексора, установленного на воздушном подшипнике. Демультиплексор заполнен идентичными метаатомами, заключенными между разными магнитными границами. Механический шейкер управляет входным каналом через рычаг со встроенным магнитом. Передача сигнала на (B) f1 = 1.1 Гц и C) f2 = 2,4 Гц.
Заключение
В заключение, мы используем настраиваемые магнитные решетки для управления распространением инфразвуковых волн. Мы настраиваем характеристики распространения волн в этих решетках, изменяя их связи на границах, используя одни и те же метаатомы. Различные конструкции объединяются для создания Т-образного демультиплексора, состоящего из одного входного канала и двух выходных каналов. Устройство охарактеризовано экспериментально, подтверждая как кривые дисперсии, так и спектр частот передачи.Эта платформа может использоваться для управления волнами сверхнизкой частоты в относительно небольшом пространстве. Внутренние нелинейные потенциалы между метаатомами могут быть использованы для демонстрации явлений без линейных параллелей, таких как амплитудно-зависимый отклик, бифуркация, хаос и солитоны (Porter et al., 2015; Mehrem et al., 2017; Amendola et al., 2018; Гендельман и Вакакис, 2018; Ким и Янг, 2019; Гринберг и Мэтлак, 2020; Рамакришнан и Фрейзер, 2020). Кроме того, самосборка метаатомов может сыграть ключевую роль в создании перепрограммируемых материалов с исключительными свойствами (Culha et al., 2020).
Заявление о доступности данных
Все данные, подтверждающие выводы этого исследования, доступны в статье. Дополнительные данные и методы можно получить у соответствующего автора по запросу.
Вклад авторов
AW провел исследование и написал рукопись. OB разработал исследование, провел исследование и написал рукопись.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Ссылки
Амендола, А., Крушинска, А., Дарайо, К., Пуньо, Н. М., и Браттернали, Ф. (2018). Настройка частотных диапазонов цепей тенсегрити масс-пружина с локальным и глобальным предварительным напряжением. Внутр. J. Solid Struct. 155, 47. doi: 10.1016 / j.ijsolstr.2018.07.002
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Amoudache, S., Pennec, Y., Djafari Rouhani, B., Khater, A., Lucklum, R., and Tigrine, R. (2014). Одновременное измерение скоростей света и звука жидкостей в двумерном фотонном кристалле с дефектами. J. Appl. Phys. 115, 134503. doi: 10.1063 / 1.4870861
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бабаки Дж. И Назари Ф. (2020). Демультиплексор на основе гетероструктуры с использованием твердотельных кольцевых резонаторов на фононном кристалле. J. Phys. D Прил. Phys. 53, 375301. doi: 10.1088 / 1361-6463 / ab904b
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Барклоу, У. Э. (2004). Низкочастотные звуки и земноводное общение у бегемота-амфибии. J. Acoust.Soc. Являюсь. 115, 2555. doi: 10.1121 / 1.4783854
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бен-Али, Ю., Уариах, А., Халед, А., и Бриа, Д. (2020). Двухчастотная фильтрация в одномерной гребенчатой фононной структуре, содержащей сегментный дефект. Mater. Сегодня 13–21. doi: 10.1007 / 978-3-030-62199-5_2
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Bergamini, A., Delpero, T., Simoni, L.D., Lillo, L.D., Ruzzene, M., and Ermanni, P. (2014). Фононный кристалл с адаптивным подключением. Adv. Матер. 26, 1343. doi: 10.1002 / adma.201305280
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Билал, О. Р., Фёр, А., и Дарайо, К. (2017b). Бистабильный метаматериал для переключения и каскадирования упругих колебаний. Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, 4603. doi: 10.1073 / pnas.1618314114
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Билал, О. Р., Фоер, А., и Дарайо, К. (2017a). Перепрограммируемые фононные метаповерхности. Adv. Матер. 29, 1700628. doi: 10.1002 / adma.201700628
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Билал, О. Р., Хви Йи, К., Рис, Дж., Шумахер, К., и Дарайо, К. (2020). Экспериментальная реализация демультиплексирования фононов в трехмерном пространстве. arXiv электронные распечатки, [Препринт]. Доступно по адресу: https://arxiv.org/abs/2009.12025 (дата обращения 25 сентября 2020 г.).
Google Scholar
Блох, Ф. (1929). Über die Quantenmechanik der Elektronen в Kristallgittern. Z. Phys. 52, 555–600. doi: 10.1007 / bf01339455
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Брюле, С., Жавло, Э., Енох, С., и Генно, С. (2014). Эксперименты на сейсмических метаматериалах: формирование поверхностных волн. Phys. Rev. Lett. 112, 133901. doi: 10.1103 / Physrevlett.112.133901
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Chong, C., Wang, Y., Marechal, D., Charalampidis, E., Moleron, M., Martinez, A.J., et al. (2020).Нелинейные локализованные моды в двумерных гексагонально упакованных магнитных решетках. arXiv [Препринт]. Доступно по адресу: https://arxiv.org/abs/2009.10300 (по состоянию на 22 сентября 2020 г.).
Google Scholar
Коломби, А., Заккерини, Р., Агуцци, Г., Палермо, А., и Чатци, Э. (2020). Смягчение сейсмических волн: стендовые испытания метабарьеров и метафондов. J. Sound Vib. 485, 115537. doi: 10.1016 / j.jsv.2020.115537
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Culha, U., Дэвидсон, З.С., Мастранджели, М., Ситти, М. (2020). Статистическое перепрограммирование макроскопической самосборки с динамическими границами. Proc. Natl. Акад. Sci. США 117, 11306. doi: 10.1073 / pnas.2001272117
PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Deng, B., Wang, P., He, Q., Tournat, V., and Bertoldi, K. (2018). Nat. Commun. 9, 1. doi: 10.1038 / s41467-018-05908-9
PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Deymier, P.А. (2013). Акустические метаматериалы и фононные кристаллы . Амстердам, Нидерланды: Springer Science & Business Media, Vol. 173.
Google Scholar
Фаиз, М.С., Аддуш, М., Заин, А.Р.М., Сиоу, К.С., Чаалан, А., и Хелиф, А. (2020). Экспериментальная демонстрация многоканального фильтра упругих волн в пластине фононного кристалла. Прил. Sci. 10, 4594. doi: 10.3390 / app10134594
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Fee, D., and Matoza, R.С. (2013). Обзор инфразвука вулкана: от гавайского до плинианского, от местного до глобального. J. Volcanol. Геотерм. Res. 249, 123–139. doi: 10.1016 / j.jvolgeores.2012.09.002
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гарсес, М., Хетцер, К., Меррифилд, М., Уиллис, М., и Аукан, Дж. (2003). Наблюдения за прибоями инфразвука на Гавайях. Geophys. Res. Lett. 30, 2264. doi: 10.1029 / 2003gl018614
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гендельман, О.В., Вакакис А. Ф. (2018). Введение в актуальную тему «Нелинейный перенос энергии в динамических и акустических системах». Phil. Пер. R. Soc. A. 376, 20170129. doi: 10.1098 / rsta.2017.0129
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гариби, Х., и Бахрами, А. (2020). Фононные кристаллы для обнаружения МЭЖК с демультиплексированными частотами. J. Mol. Liq. 305, 112841. doi: 10.1016 / j.molliq.2020.112841
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гринберг, И., и Мэтлак, К. Х. (2020). Распространение нелинейных упругих волн в фононном материале с периодической границей контакта твердое тело-твердое тело. Wave Motion 93, 102466. doi: 10.1016 / j.wavemoti.2019.102466
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Hussein, M. I., Hulbert, G.M., and Scott, R.A. (2005). Иерархический дизайн фононических материалов и структур. ASME Int. Мех. Англ. Конг. Exp. 42258, 163–172.
Google Scholar
Хусейн, М. И., Лими, М.Дж. И М. Руззене (2014). Закрытие к «Обсуждению« Динамики фононных материалов и структур: историческое происхождение, недавний прогресс и перспективы на будущее »». Прил. Мех. Rev. 66, 046002. doi: 10.1115 / 1.4027795
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ke, M., Zubtsov, M., and Lucklum, R. (2011). Субволновый фононно-кристаллический жидкостный датчик. J. Appl. Phys. 110, 026101. doi: 10.1063 / 1.3610391
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хелиф, А., и Адиби, А. (2015). Фононные кристаллы . Springer.
Google Scholar
Ким Э. и Ян Дж. (2019). Обзор: Распространение волн в гранулированных метаматериалах. Функц. Compos. Struct. 1, 012002. doi: 10.1088 / 2631-6331 / ab0c7e
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Kim, S.-H., and Das, M.P. (2012). Сейсмический волновод из метаматериалов. Мод. Phys. Lett. B 26, 1250105. doi: 10.1142 / s0217984912501059
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кушваха, М.С., Галеви, П., Добжински, Л., и Джафари-Рухани, Б. (1993). Акустическая полосовая структура периодических упругих композитов. Phys. Rev. Lett. 71, 2022. doi: 10.1103 / Physrevlett.71.2022
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Le Pichon, A., Blanc, E., and Hauchecorne, A. (2010). Инфразвуковой мониторинг для исследования атмосферы . Springer.
Google Scholar
Лю З., Чжан X., Мао Ю., Чжу Ю., Ян З., Чан К. и др.(2000). Локально резонансные звуковые материалы. Наука 289, 1734. doi: 10.1126 / science.289.5485.1734
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ma, F., Wu, J. H., Huang, M., Zhang, W., and Zhang, S. (2015). Чисто гибкий легкий акустический метаматериал мембранного типа. J. Phys. D Прил. Phys. 48, 175105. doi: 10.1088 / 0022-3727 / 48/17/175105
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Матар, О. Б., Вассер, Дж., И Деймье, П.А. (2013). Акустические метаматериалы и фононные кристаллы . Амстердам, Нидерланды: Springer, 253–280.
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Mehrem, A., Jimenez, N., Salmerón-Contreras, L., García-Andrés, X., García-Raffi, L., Picó, R., et al. (2017). Нелинейные дисперсионные волны в отталкивающих решетках. Phys. Ред. 96, 012208. doi: 10.1103 / Physreve.96.012208
PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Mei, J., Ma, G., Ян, М., Ян, З., Вэнь, В., и Шэн, П. (2012). Темные акустические метаматериалы как суперпоглотители низкочастотного звука. Nat. Commun. 3, 756. doi: 10.1038 / ncomms1758
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Mohammadi, S., and Adibi, A. (2011). На кристалле сложные устройства обработки сигналов с использованием связанных фононных кристаллических пластинчатых резонаторов и волноводов. AIP Adv. 1, 041903. doi: 10.1063 / 1.3676168
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Molerón, M., Чонг, К., Мартинес, А. Дж., Портер, М. А., Кеврекидис, П. Г., и Дарайо, К. (2019). Нелинейные возбуждения в магнитных решетках с дальнодействующими взаимодействиями. New J. Phys. 21, 063032. doi: 10.1088 / 1367-2630 / ab0118
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Molerón, M., Serra-Garcia, M., and Daraio, C. (2014). Акустические линзы Френеля с необычайным светопропусканием. Прил. Phys. Lett. 105, 114109. doi: 10.1063 / 1.4896276
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Moradi, P., и Бахрами, А. (2019). Трехканальный демультиплексор диапазона ГГц в твердотельных фононных кристаллах. Подбородок. J. Phys. 59, 291. doi: 10.1016 / j.cjph.2019.03.005
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Motaei, F., and Bahrami, A. (2020). Восьмиканальный акустический демультиплексор на основе твердожидкостных фононных кристаллов с полыми цилиндрами. Фотоника Нанострукт. Fundam. Прил. 39, 100765. doi: 10.1016 / j.photonics.2020.100765
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Накано, М., Хори Т., Араки Э., Кодаира С. и Иде С. (2018). Мелкие землетрясения с очень низкой частотой сопровождают явления медленного сдвига в Нанкайской зоне субдукции. Nat. Commun. 9, 1. doi: 10.1038 / s41467-018-03431-5
PubMed Реферат | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Palermo, A., Wang, Y., Celli, P., and Daraio, C. (2019). Настройка дисперсии поверхностных акустических волн с помощью магнитомодулированных контактных резонансов. Physical Review Applied 11, 044057. DOI: 10.1103 / Physrevapplied.11.044057
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Pennec, Y., Djafari-Rouhani, B., Vasseur, J., Khelif, A., and Deymier, P.A. (2004). Настраиваемая фильтрация и демультиплексирование в фононных кристаллах с полыми цилиндрами. Phys. Rev. 69, 046608. doi: 10.1103 / Physreve.69.046608
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Pennec, Y., Djafari-Rouhani, B., Vasseur, J., Larabi, H., Khelif, A., Choujaa, A., et al. (2005).«Процесс выпадения канала упругой волны в двумерном фононном кристалле», IEEE Ultrasonics Symposium 2005, Роттердам, Нидерланды, 18–21 сентября 2005 г. (IEEE), Vol. 1, 69–72.
Google Scholar
Портер, М. А., Кеврекидис, П. Г., и Дарайо, К. (2015). Гранулированные кристаллы: нелинейная динамика встречается в материаловедении. Phys. Сегодня 68, 44. doi: 10.1063 / pt.3.2981
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Рамакришнан В., Фрейзер М.J. (2020). Волны перехода в мультистабильных метаматериалах с пространственно-временными модулированными потенциалами. Прил. Phys. Lett. 117, 151901. doi: 10.1063 / 5.0023472
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ripepe, M., Marchetti, E., Delle Donne, D., Genco, R., Innocenti, L., Lacanna, G., et al. (2018). Инфразвуковая система раннего предупреждения о взрывных извержениях. J. Geophys. Res. Solid Earth 123, 9570. doi: 10.1029 / 2018jb015561
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ростами-Доголсара, Б., Мораввей-Фарши, М. К., и Назари, Ф. (2016). Разработка переключаемого акустического демультиплексора на основе фононного кристалла. IEEE Trans. Ультразвуковой. Сегнетоэлектрики Freq. Contr. 63, 1468. doi: 10.1109 / tuffc.2016.2586489
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Рупп, К. Дж., Данн, М. Л., и Мауте, К. (2010). Переключаемая фильтрация фононных волн, направление, сбор и активация в пьезоэлектрических твердых телах с поляризационным рисунком. Прил. Phys. Lett. 96, 111902. DOI: 10.1063 / 1.3341197
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Рупп, К. Дж., Евграфов, А., Мауте, К., и Данн, М. Л. (2007). Проектирование фононных материалов / структур для устройств на поверхностных волнах с использованием оптимизации топологии. Struct. Многопрофильный. Оптим. 34, 111. doi: 10.1007 / s00158-006-0076-0
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Торрес, М., Монтеро де Эспиноза, Ф. Р., Гарсия-Паблос, Д., и Гарсия, Н. (1999). Звуковые запрещенные зоны в конечных упругих средах: поверхностные состояния и явления локализации в линейных и точечных дефектах. Phys. Rev. Lett. 82, 3054. doi: 10.1103 / Physrevlett.82.3054
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Vasseur, J., Matar, O. B., Robillard, J., Hladky-Hennion, A.-C., and Deymier, P.A. (2011). Перестраиваемость ленточных структур объемных 2D фононных кристаллов из магнитоупругих материалов. AIP Adv. 1, 041904. doi: 10.1063 / 1.3676172
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фон Муггенталер, Э. (2013). Тезисы заседаний по акустике ICA2013 .Акустическое общество Америки, Vol. 19, 010012.
Google Scholar
фон Муггенталер, Э., Рейнхарт, П., Лимпани, Б., и Крафт, Р. Б. (2003). Песенные вокализации суматранского носорога (dicerorhinus sumatrensis). Acoust Res. Lett. Онлайн 4, 83. doi: 10.1121 / 1.1588271
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wang, Y.-F., Wang, Y.-Z., Wu, B., Chen, W., and Wang, Y.-S. (2020). Настраиваемые и активные фононные кристаллы и метаматериалы. Прил.Мех.

Что такое инфразвук и как он воздействует на человека

Основные источники инфразвука в природе и на производстве

Особенности распространения инфразвуковых волн

Как измеряется и нормируется инфразвук

Защита от воздействия инфразвука

Применение инфразвука в технике и медицине

Влияние инфразвука на животных

Инфразвук от ветрогенераторов: мифы и реальность

Статьи

Какие могут быть последствия воздействия инфразвука?

Что вызывает инфразвуковые колебания?

Как остановить инфразвук?

За гранью тишины. Инфразвук-убийца / ТВ / Newslab.Ru

Ультразвук и инфразвук

Ультразвук и инфразвук

Ультразвук и инфразвук в природе

Применение ультразвука и инфразвука

Зоологи выяснили, как слоны производят инфразвуки — Российская газета

Измерение инфразвука и ультразвука на рабочих местах — заказать в Москве и области

Инфразвук. Физическая и гигиеническая характеристика.

Ветроэнергетика и инфразвук. Результаты финского правительственного исследования

Инфразвук связан с жуткими эффектами

определение инфразвука в The Free Dictionary

Инфразвук: Ужасающая тональность | WDAV: из примечания

Мониторинг вулканических кратеров с помощью инфразвуковой «музыки»

NOAA ESRL Infrasonics Program: Лаборатория физических наук NOAA

Интернет-публикаций:

Глубоко в инфразвук: проект прослушивания слонов

Факты:

Как мы узнали, что слоны используют инфразвук?

Лесные слоны и инфразвук

Изучение коммуникации в лесных слонах

границ | Демультиплексирование инфразвуковых фононов с помощью настраиваемых магнитных решеток

Введение

Методология проектирования

Результаты

Заключение

Заявление о доступности данных

Вклад авторов

Конфликт интересов

Ссылки

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ