Ультразвук и инфразвук

Упругие волны с частотой менее 16 Гц называют инфразвуком.

Опасность инфразвука:

Невидимые и неслышимые волны вызывают у человека чувство глубокой подавленности и необъяснимого страха. Особенно опасен инфразвук с частотой около 8 Гц из-за его возможного резонанса совпадения с ритмом биотоков.

Инфразвук вреден во всех случаях — слабый действует на внутреннее ухо и вызывает симптомы морской болезни; сильный заставляет внутренние органы вибрировать вызывает их повреждение и далее остановку сердца. Инфразвук средней силы может вызвать слепоту. Наиболее мощными источниками инфразвука являются реактивные двигатели.

В обычных условиях городской и производственной сферы уровни инфразвука невелики. Слабый инфразвук от городского транспорта входит в общий шумовой фон города и это одна из причин нервной усталости жителей больших городов.

Уровень инфразвука в условиях городской среды и на рабочих местах ограничивается санитарными нормами.

Упругие колебания с частотой более 16000 Гц называются ультразвуком.

Мощные ультразвуковые колебания низкой частоты 18-30 Гд и высокой интенсивности используются в производстве для технологических целей — очистка деталей, сварка, сверление и т.д. Более слабые звуковые колебания дефенсификации в диагностике, для исследовательских целей. Под влиянием ультразвуковых колебаний в тканях происходят сложные процессы: колебания частиц с большой частотой, образуется внутритканевое тепло в результате трения частиц м/д. собой, расширение кровеносных сосудов и усиление кровотока по ним, усиление биохимических реакций, раздражение нервных окончаний.

Эти свойства ультразвука используются в ультразвуковой терапии на частотах 800-100 кГц при невысоко невысокой интенсивности 80-90 дБ, улучшающий обмен веществ и снабжение тканей кровью.

Ультразвук поглощается в воздухе тем больше, чем больше его частота. Низкочастотные технологические ультразвуковые волны оказывают на людей акустические воздействия через воздух.

Повышение интенсивности ультразвука и увеличение длительности его воздействия могут приводить к нагреву биологических структур, их повреждению => сопровождается функциональным нарушением нервной, сердечно-сосудистой системы и эндокринной, изменение св-в и состава крови. При непосредственном контакте человека со средами, по которым распространяется ультразвук, возникает его контактное его действие на организм человека. При этом поражается периферическая нервная система и суставы в местах контакта, нарушается капиллярное кровообращение в кистях рук, снижается болевая чувствительность. Степень поражения зависит интенсивности и длительности действия ультразвука, а также от присутствия других негативных факторов. Наличие шума ухудшает общее состояние.

Шум и вибрация усиливают токсический эффект промышленных ядов (например одновременное действие эталола-спирт. И ультразвука приводит к усилению неблагоприятного воздействия на ЦНС)

Инфразвук

Верхней границей инфразвукового диапазона считают частоту 16 Гц. А за нижнюю условно принята частота 0,001 Гц.

Природными источниками инфразвука могут быть извержения вулканов, грозовые разряды, землетрясения, сильный ветер во время ураганов и бурь и т.д. Издают инфразвук киты и слоны.

Техногенные источники — выстрелы крупных орудий, подводные, подземные и наземные взрывы, работающие двигатели реактивных самолётов, тяжёлые станки, турбины, судовые двигатели и др.

Все закономерности, характерные для слышимого звука, справедливы и для инфразвука. Но так как частота его колебаний мала, ему присущи свои особенности.

При равной мощности инфразвук имеет гораздо большую амплитуду, чем слышимый звук.

Инфразвуковая волна плохо поглощается средой, поэтому она способна распространяться в атмосфере, воде, земной коре на очень большие расстояния. Улавливая инфразвук специальными приборами, можно очень точно определить эпицентр сильного взрыва, землетрясения, предсказать появление цунами. В воде инфразвук можно обнаружить за сотни километров. Поэтому рыбаки используют его для поиска косяков рыбы.

Имея большую длину волны, инфразвук легко огибает препятствия, которые задерживают обычный звук. Бороться с ним очень трудно. На него не действуют различные звуковые поглотители, звуковые изоляторы. Он легко проникает в помещения.

Вследствие резонанса он вызывает вибрацию крупных объектов. На уроках физики часто рассказывают историю о том, как рухнул мост, по которому в ногу шагала рота солдат. Частота их шагов была равна примерно 1 Гц. И они попали в резонанс с частотой колебаний самого моста.

Инфразвуковые волны способны оказывать негативное воздействие на организм человека. Наши органы работают с низкой частотой. Частота колебаний сердца примерно 1 Гц, лёгких — 0,3-0,5 Гц. Инфразвук может вызвать резонанс сердца, мозга, желудка и печени, эндокринной системы, вестибулярного аппарата. Возбуждающее действие рок-музыки на наш организм также объясняется резонансным влиянием имеющихся в ней низких частот барабанов, бас-гитар и др.

Человек не воспринимает инфразвук. Но его хорошо ощущают животные. Кошки уходят из дома перед землетрясением, птицы перестают петь перед грозой, медузы перед штормом уходят подальше в море. Не оттого ли крысы бегут с тонущего корабля, потому что чувствуют, как корабль входит в резонанс с частотой штормящего моря? Возможно, и суда, найденные в районе Бермудского треугольника, были покинуты экипажем под воздействием инфразвука, образовавшегося в море.

Ультразвук

Как и инфразвук, ультразвук также находится за пределами слышимости человека. По физической природе он ничем не отличается от звука. Но из-за большой частоты и, следовательно, малой длины волны он обладает особыми свойствами.

Подобно свету, ультразвук способен образовывать строго направленные пучки. Как и пучки света, они отражаются и преломляются на границе раздела двух сред. Этот процесс подчиняется законам геометрической оптики. С помощью вогнутых зеркал ультразвуковые волны можно направлять в заданном направлении.

Ультразвуковые волны быстро затухают в газах. А жидкости и твёрдые тела, наоборот, хорошие проводники ультразвука.

Чем выше частота ультразвука, тем больше его интенсивность. Поэтому твёрдые тела, на которые он воздействует, быстро нагреваются. В жидкостях образуются мельчайшие пузырьки с кратковременным возрастанием давления до сотен и даже тысяч атмосфер. Это явление называют кавитацией.

Ультразвуковое излучение влияет на растворимость веществ и на ход химических реакций.

В природе ультразвук встречается в естественных шумах ветра, дождя, водопада, звуков раската грома. Ультразвуковые волны способны излучать дельфины, киты, грызуны и летучие мыши. Дельфины уверенно ориентируются даже в мутной воде, посылая ультразвуковые сигналы и принимая отражённый от препятствий сигнал. Летучие мыши плохо видят. С помощью посылаемых ими ультразвуков они ориентируются в полёте и ловят добычу. Некоторые виды жуков и ночных бабочек могут воспринимать ультразвук, издаваемый летучими мышами. Услышав его, они тут же падают вниз и замирают.

Излучатели ультразвука можно разделить на 2 группы: механические и электромеханические.

Механические излучатели — камертоны, сирены, воздушные и жидкостные свистки. Они используются, в основном, в устройствах сигнализации.

Электромеханические излучатели преобразуют электрические колебания в механические колебания твёрдого тела, которое излучает звуковые волны в окружающую среду.

Приборы с источником ультразвука устанавливают на кораблях и подводных лодках. С их помощью можно определять глубину, искать подводные лодки, осуществлять торпедные атаки без перископа.

Ультразвуком исследуют металлические детали после отливки на предмет наличия в них трещин, делают пайку алюминиевых изделий. Поверхность алюминия всегда покрыта плотным слоем оксидной плёнки, разрушить которую невозможно обычным паяльником. А ультразвуковому паяльнику это оказалось под силу. Он не только нагревается, но и является источником колебаний частотой 20 кГц.

Если обработать ультразвуком две помещённые в одну ёмкость жидкости, которые при обычных условиях смешать невозможно, то они образуют эмульсию.

Таким способом в современной промышленности получают лаки, краски, фармацевтические изделия, косметику.

Наиболее широко ультразвук применяют в медицине. Он помогает восстанавливать ткани и затягивать раны. Даже трудно поддающиеся лечению трофические язвы заживают после лечения ультразвуком. С его помощью быстрее рассасываются отёки и срастаются переломы. Он способен оказывать обезболивающее и спазмолитическое действие. Специальным ультразвуковым ножом проводят современные операции на внутренних органах.

Под действием ультразвука погибают микробы. Поэтому им обрабатывают находящиеся в моющем растворе медицинские инструменты. Это позволяет сократить время их дезинфекции, а также удалить возбудителей инфекции даже из очень маленьких и глубоко расположенных отверстий.

Невозможно представить без ультразвука современную диагностику. Ультразвуковое исследование позволяет получить информацию о состоянии органов и тканей организма, а также рассмотреть потоки в сосудах.

Введение

В последнее время все более широкое распространение в производстве находят технологические процессы, основанные на использовании энергии ультразвука. Ультразвук нашел также применение в медицине. В связи с ростом единичных мощностей и скоростей различных агрегатов и машин растут ровни шума, в том числе и в ультразвуковой области частот.

Ультразвук — это звук диапазона, выше предела слышимости человека, т.е. с частотой звуковой волны свыше 20 КГц.

Инфразвук — это звук диапазона, ниже предела слышимости человека, т.е. с частотой звуковой волны менее 20 Гц.

1. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

В настоящее время ультразвук широко применяется в различных областях техники и промышленности, в особенности для анализа и контроля: дефектоскопия, структурный анализ вещества, определение физико-химических свойств материалов и др.

Технологические процессы: очистка и обезжиривание деталей, механическая обработка твердых и хрупких материалов, сварка, пайка, лужение, электролитические процессы, ускорение химических реакций и др. используют ультразвуковые колебания низкой частоты (НЧ) — от 18 до 30 кГц и высокой мощности — до 6-7 Вт/см2. Наиболее распространенными источниками ультразвука являются пьезоэлектрические и магнитные преобразователи.

Кроме того, в производственных условиях НЧ ультразвук нередко образуется при аэродинамических процессах: работа реактивных двигателей, газовых турбин, мощных пневмодвигателей и др.

Значительное распространение ультразвук получил в медицине для лечения заболеваний позвоночника, суставов, периферической нервной системы, а также для выполнения хирургических операций и диагностики заболеваний. Американскими учеными был разработан эффективный метод удаления опухолей головного мозга(2002 г), не поддающихся обычному хирургическому лечению. В его основе принцип, использующийся при удалении катаракты — дробление патологического образования фокусированным ультразвуком. Впервые разработан аппарат, способный создать в заданной точке ультразвуковые колебания необходимой интенсивности и при этом не повредить окружающие ткани. Источники ультразвука располагаются на черепе пациента и испускают относительно слабые колебания. Компьютер рассчитывает направление и интенсивность ультразвуковых импульсов таким образом, чтобы они только в опухоли сливались друг с другом и разрушали ткани.

Кроме того, врачи научились с помощью ультразвука выращивать утерянные зубы заново (2006 г). Как обнаружили исследователи из канадского университета Альберты, пульсирующий ультразвук низкой интенсивности стимулирует повторный рост выбитых и выпавших зубов. Медики разработали особую технологию — миниатюрную “систему на чипе”, обеспечивающую заживление зубной ткани. Благодаря беспроводному выполнению преобразователя ультразвука, микроскопическое устройство, укомплектованное биологически совместимыми материалами, помещается во рту пациента, не доставляя ему дискомфорта.

Интенсивно используется в течение трех десятилетий диагностический ультразвук во время беременности и при заболеваниях отдельных органов. Ультразвук, натыкаясь на препятствие в виде органов человека или плода, определяет их наличие и размеры.

Британские исследователи из Лестерского университета применили ультразвуковые технологии в автоматизированной установке, которая снимает мерки с клиента для пошива одежды по индивидуальному заказу. В установке источник ультразвука и шестьдесят сенсоров регистрируют сигналы, отраженные поверхностью тела.

Для этих целей в технике используются звуковые колебания высокой частоты (ВЧ) — от 500 кГц до 5 МГц и малой мощности — от 0,1 до 2,0 Вт/см2. Интенсивность применяемого терапевтического ультразвука чаще всего не превышает 0,2-0,4 Вт/см2; частота колебаний ультразвука, применяемая для диагностики, колеблется от 800 кГц до 20 МГц, интенсивность варьирует от 0,01 до 20 Вт/см2 и более.

Это только некоторые области применения ультразвука. Человек во всех случаях подвергается его воздействию. Как влияет ультразвук на организм человека? Вредно ли это?

Ультразвук — это механические колебания упругой среды, распространяющиеся в ней в виде переменных сжатий и разрежений; с частотой выше 16-20 кГц, не воспринимаемые человеческим ухом.

С увеличением частоты ультразвуковых колебаний увеличивается их поглощение средой и уменьшается глубина проникновения в ткани человека. Поглощение ультразвука сопровождается нагреванием среды. Прохождение ультразвука в жидкости сопровождается эффектом кавитации. Режим генерации ультразвука может быть непрерывным и импульсным.

Кроме общего воздействия на организм работающих через воздух, НЧ ультразвук оказывает локальное действие при соприкосновении с обрабатываемыми деталями и средами, в которых возбуждены ультразвуковые вибрации. В зоне наибольшего воздействия ультразвука в зависимости от вида оборудования находятся кисти рук. Локальное действие может быть постоянным (удержание инструмента при обрабатываемой детали при лужении, пайке) или временным (погрузка деталей в ванны, сварка и т. п).

Воздействие от мощных установок (6-7 Вт/см2) опасно, т. к. может приводить к поражению периферического нервного и сосудистого аппарата в местах контакта (вегетативные полиневриты, нарезы пальцев, кистей и предплечья). Контактное воздействие ультразвука чаще всего имеет место в момент загрузки и выгрузки деталей из ультразвуковых ванн. Трехминутное погружение пальцев в воду ванны с мощностью преобразователя 1,5 кВт вызывает ощущение покалывания, иногда зуда, а спустя 5 мин. после прекращения действия ультразвука отмечается ощущение холода, чувство онемения пальцев. Вибрационная чувствительность резко снижается, болевая чувствительность у разных лиц при этом может быть либо повышенной, либо пониженной. Кратковременный систематический контакт с озвученной средой длительностью 20-30 с и более на подобных установках уже может приводить к развитию явлений вегетативного полиневрита.

Последствия воздействия ультразвука на организм: функциональные изменения со стороны центральной и периферической нервной системы, сердечно-сосудистой системы, слухового и вестибулярного анализатора, эндокринные и гуморальные отклонения от нормы; головные боли с преимуществен-ной локализацией в фронтоназальной орбитальной и височной областях, чрезмерно повышеннаяю утомляемость; чувство давления в ушах, неуверенность походки, головокружение; нарушение сна (сонливость днем); раздражительность, гиперакузия, гиперосмия, боязнь яркого света, повышение порогов возбудимости болевого; в условиях воздействия интенсивного ультразвука, сопровождаемого шумом, — недостаточность сосудистого тонуса (понижение артериального давления, гипертония), растормаживание кожно-сосудистых рефлексов в сочетании с яркой вазомоторной реакцией; общецеребральные нарушения; вегетативный полиневрит рук (реже и ног) разной степени (пастозность, акроцианоз пальцев, термоасимметрия, расстройство чувствительности по типу перчаток или носков); повышение температуры тела и кожи, снижение уровня сахара в крови, эозинофилия. Степень выраженности патологических изменений зависит от интенсивности и длительности действия ультра-звука; контакт с озвучиваемой средой и наличие шума в спектре также ухудшают состояние здоровья.

По сравнению с ВЧ шумом ультразвук заметно слабее влияет на слуховую функцию, но вызывает более выраженные отклонения от нормы со стороны вестибулярной функции, болевой чувствительности и терморегуля-ции. Интенсивный ВЧ ультразвук при контакте с поверхностью тела вызывает в основном те же нарушения, что и НЧ.

Особое внимание следует уделить диагностическому ультразвуку. В обзоре Крускал “Диагностическая визуализация во время беременности” (2000 г) отмечается, что ультразвуковые волны имеют потенциал повреждающего воздействия на биологические ткани за счет нагревания и кавитации. Однако документированного подтверждения биологических эффектов ультразвука пока нет. Канадское общество акушеров и гинекологов в 1999 году в своем заявлении отметило, что не существует научных доказательств повреждающего воздействия диагностического ультразвука на развивающийся плод. Ранее предполагалось, что воздействие ультразвука может быть ассоциировано с низкой массой плода при рождении, дислексией, повышенной частотой лейкемии, солидными опухолями, задержкой обучаемости чтению и письму. Риск ультразвукового исследования состоит в основном в возможной гипердиагностике или вероятности пропущенной патологии.

Допустимые уровни звукового давления ультразвуковых установок следует принимать согласно “Санитарным нормам и правилам при работе на промышленных ультразвуковых установках” за № 1733-77, ГОСТ 12. 1. 001-89, СанПиН 2. 2. 2/2. 1. 8. 582, которые даны для 1/3 октавных полос в диапазонечастот 1,25-100 кГц и составляют 80 — 110 дБ. При контактном действии уровень ультразвука не должен превышать 110 дБ. ГОСТом предусмотрены изменения ПДУ ультразвука при суммарном сокращении времени его воздействия (на 6 дБ при времени воздействия 1. . . 4 часа в смену и 24 дБ при времени воздействия 1. . . 5 мин).

В основе предупреждения вредного действия ультразвука лежат меры технологического характера: создание автоматического ультразвукового оборудования (для мойки тары, очистки деталей), установок с дистанционным управлением; переход на использование маломощного оборудования. В этом случае интенсивность ультразвука и шума уменьшается на 20-40 дБ (например, при ультразвуковой очистке деталей, пайке, сверлении и др).

При проектировании ультразвуковых установок целесообразно выбирать рабочие частоты, по возможности больше удаленные от слышимого диапазона частот (не ниже 22 кГц), чтобы избежать действия выраженного ВЧ шума.

Ультразвуковые установки с превышающими нормативы уровнямишума и ультра-звука следует оборудовать звукоизолирующими устройствами (кожухами, экранами) из листовой стали или дюраля, покрытого звукопоглощающими материалами (рубероидом, технической резиной, пластмассой, антивибритом, гетинаксом, противошумной мастикой). Звукоизолирующие укрытия ультразвуковых установок должны быть изолированы от пола резиновыми прокладками и не иметь щелей и отверстий.

Установки, генерирующие колебания с общим уровнем 135 дБ, размещают в кабинах со звукоизоляцией. Для исключения воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо выключение ультразвуковых преобразователей; применение специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой и защита рук резиновыми перчатками с хлопчатобумажной подкладкой. При повышенном уровне виброскорости в диапазоне частот от 8 до 2000 Гц на поверхностях ультразвуковых инструментов (паяльники, сварочные пистолеты и др) и приспособлений для фиксации деталей необходимо прибегать к демпфирующим покрытиям.

Установки размещаются в изолированных помещениях; отделяются перегородками на всю высоту помещения; ограждаются в виде кабин, боксов, выгородок с целью снижения шума и ультразвука на рабочих местах до допустимых величин. ; работающим следует использовать средства индивидуальной защиты.

При применении ВЧ ультразвука мероприятия должны направлены на защиту рук работающих. При работе в жидкой среде в условиях лаборатории или при проведении подводного массажа в физиотерапевтических кабинетах контакт с жидкостью должен быть полностью исключен. При дефектоскопии работающие должны избегать прикосновения рук с пьезоэлементом дефектоскопического оборудования.

Предприятие-изготовитель должно указывать в эксплуатационной документации производственного оборудования ультразвуковую характеристику — уровни звукового давления в третьоктавных полосах принятого диапазона частот, измеряемые в контрольных точках вокруг оборудования; режим работы, при котором должно проводиться определение характеристик ультразвука. Работающие с ультразвуковым оборудованием проходят инструктаж о характере действия ультразвука; мерах защиты; условиях безопасного обслуживания ультразвуковых установок.

Противопоказания к приему на работу: хронические заболевания центральной и периферической нервной системы, невриты, полиневриты; неврозы общие и сосудистые; перенесенные травмы черепа (сотрясение мозга); обменные и эндокринные нарушения; лабиринтопатия и хронические заболевания органа слуха; стойкое снижение слуха любой этиологии; гипотоническая и гипертоническая болезнь. Периодические медосмотры следует проводить 1 раз в год с участием невропатолога, терапевта, отоларинголога; важно исследование вестибулярного аппарата.

Таким образом, ультразвук, с одной стороны, широко используется во многих областях экономики, с другой стороны, пока ещё недостаточно изучено его влияние на организм человека при терапевтическом применении. Пациенты клиник, проходящие диагностику заболеваний с помощью ультразвука, мало информированы о возможном вреде здоровью. Следует вести хотя бы просветительскую работу в этом направлении.

2. ВЛИЯНИЕ ИНФРАЗВУКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Влияние инфразвука на организм человека. В конце 60-х гг. французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5–9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют

Ультразвук и инфразвук

Ультразвуком называются механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости, – 20 кГц.

Ультразвук, так же как и шум, можно характеризовать уровнем звукового давления, дБ, или интенсивностью, Вт/м2.

Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания (контактный ультразвук).

Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем (воздушный ультразвук), вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Степень воздействия зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, что может привести к снижению слуха.

Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия.

Малые дозы – уровень звука 80 – 90 дБ – дают стимулирующий эффект – микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы – уровень звука более 120 дБ – дают поражающий эффект.

Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука на работающих составляет гигиеническое нормирование.

Нормативные документы:

— ГОСТ 12.1.01-89 ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности;

— СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96. Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения.

Этими нормативными документами ограничиваются уровни звукового давления в высокочастотной области слышимых звуков и ультразвуков на рабочих местах: (от 80 до 110 дБ при среднегеометрических частотах третьоктавных полос от 12,5 до 100 кГц).

Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм операторов технологических установок, персонала лечебно-диагностических кабинетов:

— создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением;

— использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах;

— размещение оборудования в звукоизолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением;

— оборудование звукоизолирующих устройств: кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами;

— при проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона, – не ниже 22 кГц.

Для того чтобы исключить воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо устанавливать систему автоматического отключения ультразвуковых преобразователей при операциях, во время которых возможен такой контакт (например, загрузка и выгрузка материалов).

Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты – противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой, специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой.

Инфразвук– неслышимая человеком область колебаний. Обычно верхней границей инфразвуковой области считают 16-25 Гц. Нижняя граница инфразвука не определена.

Источником инфразвука является гром, орудийные выстрелы, землетрясения.

Для инфразвука характерно малое поглощение. Поэтому инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния. Это свойство инфразвука используется как предвестник стихийных бедствий, для исследования свойств атмосферы и водной среды.

Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов, что и шум слышимых частот. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения), или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения).

Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах.

по характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. гармонический характер спектра устанавливается в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ. По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный.

Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах согласно СН 2.2.4/2.1.8.583-96 «Инфразвук на рабочих местах, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки» являются ypoвни звукового давления в децибелах воктавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц.

Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.

Наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение должно отдаваться малогабаритным машинам большой жесткости, так как в конструкциях плоскими поверхностями большой площади и малой жесткости создаются условия для генерации инфразвука. Снизить инфразвук в источнике возникновения можно путем изменения режима работы технологического оборудования. Должны приниматься меры по снижению интенсивности аэродинамических процессов – ограничение скоростей движения транспорта, снижение скоростей истечения жидкостей (авиационные и ракетные двигатели, двигатели внутреннего сгорания системы сброса пара тепловых электростанций и т.д.)

В борьбе с инфразвуком на путях распространения определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа, обычно при наличии дискретных составляющих в спектре инфразвука.

В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия сопутствующего шума.

К мерам профилактики организационного плана следует отнести соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ.

При контакте с ультразвуком бoлee 50 % рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 часа работы. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур – массаж, УФ-облучение, водные процедуры, витаминизация и др.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Здравоохранения Кыргызской Республики Кыргызская Государственная Медицинская Академия имени И.К. Ахунбаева

Реферат

на тему:

«Ультразвук и инфразвук»

«Область слышимости звука. Голосовой аппарат человека»

Выполнила: Газамова М.К.

Факультет: Лечебное дело

Курс: 1

Группа: 23

Проверил: Суркеев

Бишкек

2016 год

Введение

Инфразвук

Ультразвук и его влияние на организм человека

Область слышимости звука

Голосовой аппарат человека

Список использованной литературы

Введение

Звук — всё что слышит ухо, что доходит до слуха. Или более развёрнуто — то, что слышится, воспринимается слухом: физическое явление, вызываемое колебательными движениями частиц воздуха или другой среды. Звук, в широком смысле — колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах.

Мы живем, окруженные огромным разнообразием волн. Волновые процессы можно поделить на две большие группы: электромагнитные и механические. Из первой группы нам наиболее знакомы радиоволны, световые лучи, рентгеновское излучение. Акустические, или звуковые, волны относятся ко второй группе. Они представляют собой колебательные движения упругих тел, распространяющиеся в газах, жидкостях и твердых телах, то есть в различных средах, обладающих массой и упругостью. Невозможность их распространения в вакууме была доказана экспериментально еще в XVII веке Р. Бойлем.

Основными параметрами любого волнового процесса являются частота колебаний, длина, скорость распространения и интенсивность волн. Частота акустических колебаний измеряется числом волн, прошедших через одну точку в течение 1 с. В качестве единицы частоты используют герц (Гц), который соответствует одному колебанию в 1 с. 1000 Гц составляют килогерц (кГц), а 1000000 Гц — мегагерц (мГц).

Акустические волны принято разделять на несколько частотных диапазонов: колебания с частотой меньше 16 кГц — инфразвук, от 16 кГц до 20 кГц — слышимые звуки, от 20 кГц до 1000 мГц — ультразвук, более 1000 мГц — гиперзвук.

волновой инфразвук аппарат голосовой

Инфразвук

Звуковые волны характеризуются частотой в пределах от 16 Гц до 20 кГц. Упругие волны с частотой 16 Гц называются инфразвуком, а с частотой у>20 кГц-ультразвуком (рис. 56).

Инфразвук. Инфразвуковые волны человеческое ухо не воспринимает. Несмотря на это, они способны оказывать на человека определенные физиологические воздействия. Объясняются эти действия резонансом. Внутренние органы нашего тела имеют достаточно низкие собственные частоты: брюшная полость и грудная клетка — 5-8 Гц, голова — 20-30 Гц. Среднее значение резонансной частоты для всего тела составляет 6 Гц. Имея частоты того же порядка, инфразвуковые волны заставляют наши органы вибрировать и при очень большой интенсивности способны привести к внутренним кровоизлияниям.

Источниками инфразвука могут служить грозовые разряды, орудийные выстрелы, извержения вулканов, взрывы атомных бомб, землетрясения, работающие двигатели реактивных самолетов, ветер, обтекающий гребни морских волн, и т. д.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего он может распространяться на очень большие расстояния. Это позволяет определять места сильных взрывов, положение стреляющего орудия, осуществлять контроль за подземными ядерными взрывами, предсказывать цунами и т. д.

Влияние на человека. Инфразвуковые колебания таят в себе опасность: невидимые и неслышимые волны вызывают у человека чувство глубокой подавленности и необъяснимого страха. Особенно опасен инфразвук с частотой около 8 Гц из-за его возможного резонансного совпадения с ритмом биотоков.

Инфразвук вреден во всех случаях — слабый действует на внутреннее ухо и вызывает симптомы морской болезни, сильный заставляет внутренние органы вибрировать, вызывает их повреждение и даже остановку сердца. При колебаниях средней интенсивности 110-150 дБ наблюдаются внутренние расстройства органов пищеварения и мозга с самыми различными последствиями, обмороками, общей слабостью. Инфразвук средней силы может вызвать слепоту. Даже слабый инфразвук от городского транспорта входит В общий шумовой фон города и служит одной из причин нервной усталости жителей больших городов.

Ультразвук

Ультразвуки — механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхнюю границу чувствительности 20кГц. Единицей измерения интенсивности ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/см2). В гигиенической практике интенсивность ультразвука (уровень ультразвукового давления) оценивается в относительных единицах — дБ

Ультразвук подчиняется тем же закономерностям, что и звуковые волны, но из-за своей высокой частоте он имеет некоторые особенности:

малая длина волны (менее 1,5 см) дает возможность получать направлен сфокусированный пучок большой энергии;

ультразвуковые волны способны создавать четкую акустическую тень, потому размеры экранов всегда будут им соответствовать или больше длины волн;

проходя через границу раздела двух сред, ультразвуковые волны могут отражаться, преломляться или поглощаться;

высокочастотный ультразвук практически не распространяется в воздухе, потому звуковая волна распространяясь в среде, теряет энергию пропорциональную квадрату частоты колебаний

Влияние на организм человека. Под влиянием ультразвуковых колебаний в тканях организма происходят сложные процессы. Колебания частиц ткани с большой частотой при небольшой интенсивности действуют как вибромассаж. Образование внутритканевого тепла в результате трения частиц между собой, расширяет кровеносные сосуды и усиливает кровоток по ним; ускоряются биохимические реакции.

При распространении ультразвука в биологических средах происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в силовую энергию.

Ультразвук в природе

Ультразвук тоже не воспринимается человеческим ухом. Однако его способны излучать и воспринимать некоторые животные. Так, например, дельфины благодаря этому уверенно ориентируются в мутной воде. Посылая и принимая возвратившиеся назад ультразвуковые импульсы, они способны на расстоянии 20-30 м обнаружить даже маленькую дробинку, осторожно опущенную в воду. Ультразвук помогает и летучим мышам, которые обладают плохим зрением или вообще ничего не видят. Издавая с помощью своего слухового аппарата ультразвуковые волны (до 250 раз в секунду), они способны ориентироваться в полете и успешно ловить добычу даже в полной темноте. Любопытно, что у некоторых насекомых в ответ на это выработалась особая защитная реакция: отдельные виды ночных бабочек и жуков также оказались способными воспринимать ультразвуки, издаваемые летучими мышами, и, услышав их, они тут же складывают крылья, падают вниз и замирают на земле.

Ультразвуковые сигналы используются и некоторыми зубчатыми китами. Эти сигналы позволяют им охотиться на кальмаров при полном отсутствии света.

Установлено также, что ультразвуковые волны с частотой более 25 кГц вызывают болезненные ощущения у птиц. Это используется, например, для отпугивания чаек от водоемов с питьевой водой.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в науке и технике, где его получают с помощью различных механических (например, сирена) и электромеханических устройств.

Источники ультразвука устанавливают на кораблях и подводных лодках. Посылая короткие импульсы ультразвуковых волн, можно уловить их отражения от дна или каких- либо других предметов. По времени запаздывания отраженной волны можно судить о расстоянии до препятствия. Использующиеся при этом эхолоты и гидролокаторы позволяют измерять глубину моря, решать различные навигационные задачи, осуществлять рыбопромысловую разведку (обнаруживать косяки рыб), а также решать военные задачи.

Ультразвук и его влияние на организм человека

Ультразвуки дробят жидкие и твердые вещества, образуя различные эмульсии и суспензии.

В медицине при помощи ультразвука осуществляют сварку сломанных костей, обнаруживают опухоли, осуществляют диагностические исследования в акушерстве и т. д. Биологическое действие ультразвука (приводящее к гибели микробов) позволяет использовать его для стерилизации молока, лекарственных веществ, а также медицинских инструментов. Ультразвук как лечебное средство используется в физиотерапии: болеутоляющее, противовоспалительное и бактерицидное действие, стимулирует действие нервной системы, улучшает кроветворение, усиливает защитные реакции организма, снижает артериальное давление и т.п.

Область слышимости звука

Интенсивность звуков, с которыми приходиться иметь дело человеку изменяется в очень широких пределах. Диапазон звукового давления, различаемого органами слуха человека также довольно широк. Минимальная интенсивность звука, которая воспринимается ухом, называется порогом слышимости. В качестве стандартной частоты сравнения принята частота 1000 Гц. При этой частоте порог слышимости J0=10-12 Вт/м2, а соответствующее ему звуковое давление P0 = 2*10-5 Па. Максимальная интенсивность звука, при которой орган слуха начинает испытывать болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения, равным 102 Вт/м2, а соответствующее ему звуковое давление Р = 2*102Па.

Область слышимости звука — пределы нормального восприятия звука человеком, ограниченные порогом слышимости и порогом болевого ощущения.

Область слышимости определяет диапазон частот и эффективное давление звуков, воспринимаемых ухом. Наибольший по эффективному давлению диапазон слышимости соответствует частоте около 1 кГц. Поэтому звук частотой 1 кГц выбран в качестве эталона для сравнения с ним звуков других частот. Порог слышимости звука с частотой 1 кГц, равный 2-10-5 Па, называют стандартным порогом слышимости.

Голосовой аппарат человека

Мы можем говорить только на выдохе, когда воздух выходит из легких наружу через рот и нос. В нашей дыхательной системе есть участок между трахеей и глоткой, который называется гортанью. Гортань — это хрящевая трубка, покрытая изнутри слизистой оболочкой. Сверху гортань покрыта надгортанником, состоящим из эластического хряща и расположенным впереди входа в гортань. Слизистая оболочка гортани имеет складки, выступающие в ее полость и содержащие связки и мышцы. Эти складки называются голосовыми связками. Щель в гортани между голосовыми связками называется голосовой щелью. Именно вибрация складок при прохождении воздуха через голосовую щель создает звуковую волну и тем самым рождает голос. При молчании голосовая щель широко раскрыта, при разговоре или пении — сужается.

Мышцы гортани способны изменять положение ее хрящей. В результате могут меняться ширина голосовой щели и натяжение голосовых связок. Размеры голосовых связок определяют тип голоса: у людей с низкими голосами складки более длинные и толстые, а с высокими — короткие и тонкие.

Кроме органов дыхания и места возникновения звуков — гортани к голосовому аппарату относятся артикуляционный аппарат и резонаторы.

Артикуляция (от лат. articulo — «расчленяю») — это работа органов речи при образовании звуков. Артикуляционный аппарат служит для образования звуков членораздельной речи. Помимо голосовых складок к артикуляционному аппарату относятся язык, губы, нёбо, глотка, зубы. Подвижные органы артикуляционного аппарата (язык, губы) называют активными, неподвижные — пассивными (верхняя губа, верхние зубы, та или иная часть неба).

Резонаторы — это полости, резонирующие на возникающий в голосовой щели звук и придающие ему силу и окраску (тембр). В результате прохождения звуковых волн через резонаторы приобретается характерный для каждого человека тембр голоса.

Тембр является уникальным индивидуальным качеством человека, отличающим его от других людей. Как нет двух лиц, абсолютно похожих друг на друга, так нет и двух абсолютно одинаковых по тембру голосов.

Говоря об органах, составляющих голосовой аппарат, нельзя забывать про центральную нервную систему. Специальные речевые центры головного мозга организуют их функции в единый, целостный процесс звукообразования, который является сложным психофизическим актом.

Список использованной литературы

1. М. Н. Мисюк, В. В. Максименко. Основы медицинских знаний: Учебно-методический комплекс для студентов специальности — ПСИХОЛОГИЯ. — Минск.: Изд-во МИУ, 2009

2. С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

3. А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко «Медицинская и биологическая физика». — М.: «Дрофа»,2004

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова «Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике». — М.: «Дрофа», 2001

5. Владимиров Ю.А. Биофизика. — М.: Высшая школа, 2005

6. Федорова В.Н., Фаустов Е.В. — Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами. — М.: Изд. Группа «ГЭОТАР-Медиа», 2010

Размещено на Allbest.ru

Ультразвук, упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5— 2 ×104гц (15—20 кгц) и до 109 гц (1 Ггц), область частот У. от 109 до 1012-13гц принято называть гиперзвуком. Область частот У. можно подразделить на три подобласти: У. низких частот (1,5×104—105 гц) — УНЧ, У. средних частот (105 — 107 гц) — УСЧ и область высоких частот У. (107—109гц) — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Физические свойства и особенности распространения ультразвука. По своей физической природе У. представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения У. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4×10-3—3,4×10-5см, в воде 1,5×10-2—1,5 ×10-4 см и в стали 5×10-2— 5×10-4см. У. в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием (см. Поглощение звука). Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники У., затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание У. при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны У. на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость У. с и коэффициент поглощения a, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика. Характерная особенность распространения У. в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения (см. Дисперсия звука). Коэффициент поглощения У. в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории (см. Релаксация), которая описывает распространение У. в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости с и особенно a от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).

Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства У., как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука (рис. 1).

Следующая важная особенность У, — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением (рис. 2). Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости У.

К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустическая кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей У.) явлений. Частоты У., при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. В воде на частоте 20 кгц она составляет около 0,3 вт/см2. На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости (рис. 3) и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана.

Генерацияультразвука. Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 основные группы — механические, в которых источником У. является механическая энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической. Механические излучатели У.— воздушные и жидкостные свистки и сирены — отличаются сравнительной простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, кпд их составляет 10—20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей — сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично — как средства сигнализации.

Основной метод излучения У.— преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели У., использующие магнитострикционный эффект (см. Магнитострикция)в никеле и в ряде специальных сплавов, также в ферритах. Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества. Основными пьезоэлектрическими материалами для излучателей У. служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ — главным образом различные пьезокерамические материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, а пьезоэлектрические — пластинку (рис.

4) или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные пьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается между металлическими блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.

Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации У. в области УСЧ чрезвычайно широк: интенсивности от 10-14—10-15вт/см2 до 0,1 вт/см2 считаются малыми. Для многих целей необходимо получить гораздо большие интенсивности, чем те, которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой У. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титаната бария, на частоте 0,5 мгц удаётся получать в воде интенсивности У. большие, чем 105вт/см2. Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне УНЧ часто пользуются стержневыми ультразвуковыми концентраторами (см. Концентратор акустический), позволяющими получать амплитуды смещения до 10-4 см.

Выбор метода генерации У. зависит от области частот У., характера среды (газ, жидкость, твёрдое тело), типа упругих волн и необходимой интенсивности излучения.

Приём и обнаружение ультразвука. Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма У. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: У., распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света на У. и её различным применениям.

Применения ультразвука. Применения У. чрезвычайно разнообразны. У. служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника, на основе достижений которой разрабатываются различные приборы для обработки сигнальной информации в микроэлектронике. У. играет большую роль в изучении вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов, в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэффициента поглощения a используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик вещества. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие квантов упругих возмущений — фононов — с электронами, магнонами и др. квазичастицамии элементарными возбуждениями в твёрдых телах. У. широко применяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше проникают в биологию и медицину.

Применение У. в технике.По данным измерений с и a, во многих технических задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава различных жидкостей и т.д.). Используя явление отражения У. на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. У. сравнительно малой интенсивности (до ~0,1 вт/см2) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.) (см. Дефектоскопия). Быстро развивается направление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу (конструкции) твёрдого тела он «потрескивает» (подобно тому, как при изгибе «потрескивает» оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает движение дислокаций, которые при определённых условиях (до конца ещё пока не выясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность дислокаций и субмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащим частоты У. При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. При помощи У. осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощи У. видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета (рис. 5). Развитие голографии привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии.

Весьма важную роль У. играет в гидроакустике, поскольку упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся в морской воде. На принципе отражения ультразвуковых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, строится работа таких приборов, как эхолот, гидролокатор.

У. большой интенсивности (главным образом диапазон УНЧ) оказывает воздействие на протекание тех или иных технологических процессов (см. Ультразвуковая обработка) посредством нелинейных эффектов — кавитации, акустических потоков и др. Так, при помощи мощного У. ускоряется ряд процессов тепло- и массообмена в металлургии. Воздействие ультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить более мелкокристаллическую и однородную структуру металла. Ультразвуковая кавитация широко используется для очистки от загрязнений как мелких (часовое производство, приборостроение, электронная техника), так и крупных производственных деталей (трансформаторное железо, прокат и др.). С помощью У. удаётся осуществить пайку алюминиевых изделий. В микроэлектронике и полупроводниковой технике используется ультразвуковая приварка тонких проводников к напылённым металлическим плёнкам и непосредственно к полупроводникам. С помощью ультразвуковой сварки соединяют пластмассовые детали, полимерные плёнки, синтетические ткани и др. Во всех этих случаях ту или иную роль играет процесс ультразвуковой очистки, локальное нагревание под действием У., ускорение процессов диффузии, изменение состояния полимера. У. позволяет обрабатывать хрупкие детали (например, стекло, керамику), а также детали сложной конфигурации (рис. 6). В этих процессах основную роль играют удары ультразвукового инструмента по частицам абразивной суспензии.

В. А. Красильников.

У. в биологии — биологическое действие У.При действии У. на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению У. в среде. Биологическое действие У., то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них У., определяется главным образом интенсивностью У. и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях У. (до 1—2 вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности У. может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки).

При поглощении У. в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

В основе биологического действия У. могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и др. жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. У. повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.

Л. Р. Гаврилов.

У. в медицине. У. используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения в различных областях клинической медицины. Способность У. без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей используется для исследования внутренних органов. Ультразвуковые методы диагностики в ряде случаев позволяют более тонко различать структуру тканей, чем рентгеновские. Так, с помощью У. обнаруживаются опухоли мягких тканей, часто не различимые др. способами. У. применяют в акушерстве для диагностического исследования плода (рис. 7) и беременной женщины, в нейрохирургии — для распознавания опухолей в головном мозге (эхоэнцефалография), в кардиологии — для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы сердца. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей под действием У. используются в медицине для терапевтических целей (см. Ультразвуковая терапия).

Ультразвуковая хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с разрушением тканей собственно звуковыми колебаниями, а вторая — с наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент. В первом случае применяется фокусированный У. с частотами порядка 106— 107 гц, во втором — колебания на частотах 20—75 кгц с амплитудой 10—50 мкм. Ультразвуковые инструменты применяются для рассечения мягких и костных тканей, позволяя при этом существенно уменьшать усилие резания, кровопотери и болевые ощущения. В травматологии и ортопедии У. используют для сварки сломанных костей: при этих операциях костной стружкой, смешанной с жидкой пластмассой, заполняют пространство между костными отломками; под действием У. образуется их соединение.

У. применяется также в биологической и медицинской лабораторной практике, в частности — для диспергирования биологических структур, для относительно тонких воздействий на структуру клеток, при стерилизации инструментов и лекарственных веществ, для изготовления аэрозолей, а также в бактериологии, иммунологии и т.д. для получения ферментов и антигенов из бактерий и вирусов, изучения морфологических особенностей и антигенной активности бактериальных клеток и др.

У. в природе.Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20 кгц. Так, птицы болезненно реагируют на ультразвуковые частоты более 25 кгц, что используется, например, для отпугивания чаек от водоёмов с питьевой водой. Мелкие насекомые при своём полёте создают ультразвуковые волны. Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или вовсе не имея его, ориентируются в полёте и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы (рис. 8) с частотой повторения несколько гц и несущей частотой 50—60 кгц. Дельфины излучают и воспринимают У. до частот 170 кгц; метод ультразвуковой локации у них развит, по-видимому, ещё совершеннее, чем у летучей мыши.

Изучением У. и его применением занимается большое количество различных институтов и лабораторий как в нашей стране, так и за рубежом. Такие лаборатории имеются в Акустическом институте АН СССР, институте радиотехники и электроники АН СССР, на физических факультетах МГУ, ЛГУ и др. университетов СССР, в Калифорнийском, Станфордском, Брауновском и др. университетах США, в лабораториях фирмы «Белл систем» в США, в институтах и университетских лабораториях Англии, Японии, Франции, ФРГ, Италии и др. Основные работы по У. печатаются в Акустическом журнале АН СССР, журнале Американского Акустического общества, европейских журналах «Ultrasonics» и «Acustica», а также во многих других физических и технических журналах.

Историческая справка. Первые работы по У. были сделаны ещё в 19 в. Французский учёный Ф. Савар (1830) пытался установить верхний предел по частоте слышимости уха человека; изучением У. занимались английский учёный Ф. Гальтон (1883), немецкий физик В. Вин (1903), русский физик П. Н. Лебедев и его ученики (1905). Существенный вклад был сделан французским физиком П. Ланжевеном (1916), который впервые использовал пьезоэлектрические свойства кварца для излучения и приёма У. при обнаружении подводных лодок и измерениях глубин моря. Г. В. Пирс в США (1925) создал прибор для измерения с большой точностью скорости и поглощения У. в газах и жидкостях (так называемый интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных для своего времени интенсивностей У. в жидкости, наблюдал ультразвуковой фонтан и исследовал влияние У. на живые организмы. Советский учёный С. Я. Соколов в 1928 положил начало ультразвуковой дефектоскопии металлических изделий, предложив использовать У. для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов в твёрдых телах.

В 1932 Р. Люка и П. Бикар во Франции, П. Дебай и Ф. В. Сирс в Германии обнаружили явление дифракции света на ультразвуковых волнах, которое далее начинает играть большую роль в изучении структуры жидких и твёрдых тел, а также в ряде технических приложений. В начале 30-х гг. Х. О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и дисперсия У. в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено в ряде сложных (например, органических) жидкостей. Правильное теоретическое объяснение этим релаксационным явлениям было дано в общей форме советскими учёными Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Релаксационная теория явилась впоследствии основой молекулярной акустики.

В 50—60-х гг. широкое развитие получают различные промышленные технологические применения У., в разработку физических основ которых в СССР был сделан большой вклад Л. Д. Розенбергом и его сотрудниками. Получение всё больших интенсивностей У. обусловило изучение особенностей распространения мощных волн У. в газах, жидкостях, твёрдых телах; быстро развивается нелинейная акустика, в становлении которой большую роль сыграли работы советских учёных Н. Н. Андреева, В. А. Красильникова, Р. В. Хохлова и др., а также американских и английских учёных.

В 70-х гг., в особенности после работы Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации У. в пьезополупроводниках, быстро развивается акустоэлектроника.

Лит.: Бергман Л., Ультразвук, пер. с нем., М., 1956; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1—7, М., 1966—74; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, т. 1—3, 1967—69; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Викторов И. А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966; Методы неразрушающих испытаний, под ред. Р. Шарпа, пер. с англ., М., 1972; Ультразвуковое резание, М., 1962; Ультразвуковая технология, под ред. Б. А. Аграната, М., 1974; Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука, М., 1973; Байер В., Дернер Э., Ультразвук в биологии и медицине, пер. с нем., Л., 1958; Interaction of ultrasound and biological tissues. Proceedings of a workshop…, ed. by J. M. Reid and M. R. Sikov, Wash., 1972.

В. А. Красильников.

Рис. 4. Излучение (приём) продольных волн L пластинкой, колеблющейся по толщине в твердое тело: 1 — кварцевая пластинка среза Х толщиной l/2, где l — длина волны в кварце; 2 — металлические электроды; 3 — жидкость (трансформаторное масло) для осуществления акустического контакта; 4 — генератор электрических колебаний; 5 — твёрдое тело.

Рис. 2. Акустическое течение, возникающее при распространении ультразвука частотой 5 Мгц в бензоле.

Рис. 6. Фасонные матрицы из твердого сплава, изготовленные ультразвуковым способом.

Рис. 1. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа (частота ультразвука 8 Мгц).

Рис. 5а. Красные кровяные тельца, полученные оптическим микроскопом.

Рис. 8. Ультразвуковой импульс летучей мыши на расстоянии 10 см от ее рта, сфотографированный с экрана осциллографа, частота ультразвука в импульсе 48 кгц.

Рис. 5б. Красные кровяные тельца, полученные ультразвуковым микроскопом.

Рис. 7. Звуковое изображение человеческого плода возраста 17 недель, полученное с помощью ультразвука частотой 5 Мгц.

Рис. 3. Фонтан жидкости, образующийся при падении ультразвукового пучка изнутри жидкости на её поверхность (частота ультразвука 1,5 Мгц, интенсивность 15 вт/см2).

Добавить комментарий

Закрыть меню