Фізичні характеристики звуку

Інтенсивність звукової хвилі I є її об'єктивною енергетичною характерис­тикою. Вона характеризує звук як фізичне явище незалежно від того, сприй­мається він органами слуху людини чи ні. Але безпосередньо виміряти інтен­сивність звукових хвиль практично неможливо, адже енергія, яку вони перено­сять, розсіяна між частинками середовища, в якому поширюються хвилі. І тому інтенсивність звуків вимірюють непрямим способом.

Звукові хвилі, як нам уже відомо, є поздовжніми. На своєму шляху вони створюють згущення й розрідження частинок середовища, що чергуються між собою. Якщо всередині такого згущення або розрідження опиняється яке-небудь тіло, то частинки середовища, рухаючись "туди й назад" під дією звукової хвилі, спричинюватимуть на тіло деякий додатковий (до атмосферного) тиск, який на­зивають звуковим тиском. Його вимірюють за допомогою спеціальних манометрів.

Інтенсивність I звукової хвилі і спричинюваний нею звуковий тиск

р пов'я­зані між собою таким співвідношенням:

 

I (2.2)

Оскільки густина середовища і швидкість звуку с в ньому добре відомі, то, вимірявши на досліді звуковий тиск ∆р, за формулою (2.2) визначають інтен­сивність звукових хвиль.

У нормі людське вухо сприймає звуки інтенсивністю від І₀ = Вт/м² (поріг чутності) до І= 10 Вт/м² (поріг больового відчуття) на частоті 1000 Гц. Чому саме на частоті у 1000 Гц? Річ у тім, що чутливість людського вуха щодо звуків різної частоти неоднакова. Наші органи слуху найчутливіші до звукових хвиль частотою коливань 1000 - 4000 Гц. Частоту коливань у 1000 Гц приймають як еталонну й відносно неї вимірюють інтенсивність усіх інших звуків.

Знайдемо відношення інтенсивностей звукових хвиль, які спричинюють мак­симальне й мінімальне звукові відчуття:

Наші органи слуху сприймають звуки, інтенсивність яких відрізняється від порогу чутності в 10¹³ (!) разів. Виходячи з цього дослідного факту, шкалу, за якою визначають інтенсивність звуків, розділили на 13 рівнів. За нульовий рівень інтенсивності звуку приймають рівень, який відповідає порогу чутності, а за верхній, 13-й, рівень шкали — поріг больового відчуття. Інтенсивність звуку кож­ного наступного рівня більша від попереднього в 10 разів. Шкала, побудована за таким принципом, називається логарифмічною і представлена в таблиці 1.

Таблиця 1. Інтенсивність і рівень гучності звуків

 

Характер звуку	Інтенсивність звуку, Вт/м^2	Звуковий тиск, Па	Рівень гучності, дБ
Поріг чутності	10^-12	2,0 10^-5
Серцеві тони	10^-11	6,4 10^-5
Шепіт	10^-10	2,0 10^-5
Тиха розмова	10^-9	6,4 10^-4
Кроки	10^-8	2,0 10^-3
Нормальна розмова	10^-7	6,3 10^-3
Шум на пожвавленій вулиці	10^-6	2,0 10^-3
Гучна розмова	10^-5	6,3 10^-2
Крик	10^-4	2,0 10^-1
Шум машинного залу	10^-3	6,3 10^-1
Автосирена	10^-2
Шум авіадвигуна на відстані 3	10^-1	6,3
Шум авіадвигуна на відстані 1	10^0
Поріг больового відчуття

 

З іншого боку, інтенсивність звукових хвиль, що потрапляють на барабанну перетинку, оцінюється органами слуху. Інтенсивність звукової хвилі, що оцінюєть­ся органами слуху людини, називається гучністю звуку. Гучність звуку є його суб'єк­тивною фізіологічною характеристикою. Окремі люди і навіть одна й та сама людина в різних умовах по-різному сприймають звуки однакової інтенсивності.

Гучність звуку визначається його інтенсивністю. Якщо інтенсивність звуку збільшується, наприклад, у 1000 разів ( =1000), то рівень гучності

звуку Lзростає всього в 3 рази, це - lg1000 = 3.

Німецькі вчені Вільгельм Вебер (1804 -1891) і Густав Фехнер (1801—1887) дослідним шляхом установили, що рівень гучності звуку прямо пропорційний логарифму відношення інтенсивності дано­го звуку до інтенсивності того самого звуку на порозі чутності:

L= k lg (2.3)

де k — коефіцієнт пропорційності, який залежить від частоти й інтенсивності звукових хвиль. Співвідношення (2.3) називають законом Вебера — Фехнера. За цим законом, людина сприймає не лише гучність звуку, а й запахи, відчуття болю, холод, тепло та інші зовнішні подразники.

Щоб визначити рівень гучності звуку за законом Вебера — Фехнера, треба знати коефіцієнт пропорційності к. Але він складним чином залежить від частоти й інтенсивності звуку й визначити його експериментально неможливо. Тому просто умовилися вважати, що на частоті звуку 1000 Гц (на порозі чутності) k = 1. В такому разі

L=lg (2.4)

Це дає змогу встановити одиницю гучності звуку. Рівень гучності звуку L=1, якщо lg = 10 (1g 10 = 1). Отже,

L = lg =lgІ0 = 1Б (бел)

За одиницю рівня гучності звуку (1 бел) — беруть рівень гучності такого звуку, інтенсивність якого більша від порога чутності в 10 разів.

Назву дано на честь американського інженера Олександра Белла (1847-1922) – винахідника телефону.

Але на практиці цією одиницею гучності користуються рідко. Зручніше ко­ристуватися одиницею гучності, яка в 10 разів менша, ніж бел, — децибелом: 1 дБ = 10-¹ Б, отже, 1 Б = 10 дБ. За формулою (2.3) можна розраховувати рівень гучності звуку лише на частоті 1000 Гц, тому що тільки для цієї частоти відомий коефіцієнт пропорційності k в законі Вебера — Фехнера. Рівень гучності звуків, що мають частоту, відмінну від еталонної, визначають за допомогою кривих од­накової гучності.

На вимірюванні порогу чутності звуків різної частоти ґрунтується метод ви­мірювання гостроти слуху — аудіометрія. Дослідження проводять за допомогою спеціального приладу — аудіометра.Він складається зі звукового генератора і двох телефонів. Надівши телефони на вуха хворого, за допомогою звукового ге­нератора створюють звук певної частоти такої інтенсивності, щоб його добре чув хворий. Зменшуючи інтенсивність звуку, відмічають момент, коли хворий пере­стає його чути. Вимірюють поріг чутності для досліджуваного звуку. Аналогічні вимірювання проводять для різних частот і одержують графік, який називається аудіограмою. Порівнюють аудіограму хворого з нормальною і таким способом визначають відсоток втрати слуху.

2.Крім гучності, органи слуху людини досить тонко розрізняють звукові хвилі за частотою коливань. Приєднаємо до звукового генератора гучномовець (рис.1.11).

 

 

Рисунок 1.11

 

Не змінюючи інтенсивності звукових хвиль, поступово збільшувати­мемо

частоту коливань. Чим вища частота коливань, тим звук стає "тоншим", вищим. Наше вухо, зазвичай, не вимірює частоти звукових

коливань, але коли­вання різної частоти розрізняє як звуки різного тону. Якість звуку, яка визна­чається частотою його коливань, називається висотою тону.

Якщо частота звуку сприймається органами слуху людини як звук одного тону, то такий звук називають музикальним (звуки камертона, музичних інстру­ментів, голоси співаків та деяких птахів). Звуки, частоту яких вухо не розрізняє, називають шумами (шелест листя, стук молотка, шум морського прибою, дзюр­чання струмочка, громові розкати й багато іншого).

Людське вухо розрізняє частоту звуків і в тому разі, коли одночасно сприймає два або навіть три звуки різної частоти. При одночасному сприйманні двох звуків залишаються музикальними й не перетворюються на шум, якщо їх час­тоти співвідносяться як 1:2; 2:3; 3:4; 4:5 і т. п. За такого співвідношення частот двох музикальних звуків, які попарно йдуть один за одним, виникає приємна милозвучна мелодія — консонанс. Якщо співвідношення частот двох звуків ви­ражається великими числами, виникає дисонанс — звуки створюють неприєм­не відчуття. Три звуки різної частоти створюють приємне милозвучне "мажорне триголосся в тому випадку, якщо їхні частоти співвідносяться як 4:5:6 (наприклад, 400, 500 і 600 Гц).

Вухо не здатне оцінити висоту музикального тону, якщо тривалість звучання стає меншою ніж 1/20 с. Неважко підрахувати, що за цей час за частоти 20 Гц здійснюється лише одне коливання.

Музикальний тон — це звук однієї частоти, одного тону. Такі коливання здійснюють ніжки камертона. І тому музичні інструменти настроюють на певну частоту, використовуючи камертон з частотою 440 Гц (тон "ля"). Його називають міжнародним нормальним камертоном.

У медицині набір із 4-х камертонів частотою 128, 256, 512 і 1024 Гц викори­стовують для перевірки слуху на "чисті" тони. З цією метою по одній з ніжок камертона ударяють гумовим молоточком і ставлять камертон на тім'я хворого (обстежуваного) строго по середній лінії (метод Вебера). У нормі звук відчуваєть­ся в обох вухах як звук одного тону й однакової інтенсивності. У разі ураження звукопровідної системи звук камертона сприймається правим і лівим вухами як два звуки з різною тональністю й інтенсивністю.

Звук, який виникає під час коливань камертона, є простим. Такий звук має строго постійну частоту коливань. Але переважна більшість звуків, які сприйма­ються нашими органами слуху, складаються із сукупності простих звуків, що мають різну частоту й амплітуду коливань. Такі звуки називаються складними. Простий звук найменшої частоти υ₀, що входить до складу складного звуку, назива­ють основним тоном ₀. Прості звуки, частота яких кратна частоті основного тону (2υ₀ 3υ₀, 4υ₀...), називається обертонами (вищими тонами).

3.Органи слуху людини здатні оцінювати частотний склад звуків, розрізняючи їх за тембром. Тембр звуку — це його частотний склад, який сприймається й оці­нюється органами слуху людини. Він залежить від кількості й амплітуди обертонів. Високі обертони (прості звуки високої частоти) роблять складний звук протяж­ним і дзвінким, а низькі тони (прості звуки низької частоти) надають йому "со­ковитості" й "могутності". Завдяки цьому створюється своєрідне й неповторне звучання складного звуку. Складні звуки мають різний тембр. За відмінністю в тембрі ми легко пізнаємо голоси популярних співаків і співачок, своїх рідних, знайомих і друзів, розрізняємо звуки музичних інструментів.

Але якщо складні звуки утворюються внаслідок накладання простих звуків, то цілком можливий і зворотний процес: складний звук можна розкласти на прості. Цю проблему в загальному вигляді розв'язав французький математик Жан Фур'є (1768 —1830). Він довів, що будь-яке складне коливання можна розклас­ти на п простих гармонічних коливань, частота (період) яких кратні частоті (пе­ріоду) складного коливання.

Сукупність простих коливань, із яких складається простий звук, називається його акустичним спектром. Акустичний спектр складного звуку є його найважли­вішою характеристикою. Його зображають у вигляді графіка, на горизонтальній осі якого відкладається частота, а на вертикальній — амплітуди кожного простого зву­ку. На рис.1.12, а наведено графік складного звуку, який виникає, коли ми про­тяжно вимовляємо звук "а": а—а—а, а на рис.1.12, б — його акустичний спектр. З нього видно, що звук "а" складається з основного тону й 13 обертонів, з яких найгучніше звучать (у них найбільша амплітуда коливань) перші п'ять обертонів. Чим більше обертонів входить до складу складного звуку, тим багатшим і приємнішим на слух є тембр звуку.

Рисунок 1.12

Аналізуючи акустичні спектри однієї й тієї самої ноти (основний тон^ = 100 Гц), взятої на кларнеті (рис 1.13, а ) і на роялі (рис 13, б), стає зрозумілим, чому їхні тембри відрізняються між собою. На роялі в цьому випадку утворюється 15, а на кларнеті — всього 8 обертонів. Найсильніше на роялі звучать обертони частотою 200, 400 і 600 Гц, а на кларнеті — обер­тони частотою 300, 800, 900 і 1000 Гц. Ось чому різні музичні інструменти мають свій, характерний тільки для них тембр звуку.

 

 

Рисунок 1. 13

 

Під час вимови одних і тих самих звуків голосові зв'язки, так само як і му­зичні інструменти, в різних людей утворюють різну кількість обертонів, які ма­ють неоднакові амплітуди коливань. І тому акустичний спектр голосу кожної людини неповторний, як і відбитки її пальців.

 

Фізичні основи слуху

В органі слуху людини розрізняють зовнішню, середню і внутрішню частини вуха.

Зовнішнє вухо складається з вушної раковини 1 (рис1.14), слухо­вого ходу 2 й барабанної перетинки 3. Звукова хвиля надходить у вушну ракови­ну, яка являє собою акустичну трубу завдовжки приблизно 3 см. У стовпі повітря, що міститься у вушній раковині, виникає стояча хвиля. Але якщо в стовпі по­вітря утворюється стояча хвиля, то виникає акустичний резонанс. Унаслідок ре­зонансу посилюються лише ті стоячі хвилі, для яких

Ось чому людське вухо найбільш чутливе в діапазоні хвиль 3000—4000 Гц. Барабанна перетинка в нормі має неправильну форму й нерівномірний натяг на різних ділянках. Завдяки таким властивостям барабанна перетинка не має власної частоти коливань, вона завжди коливається з частотою того звуку, що надійшов до неї. Якби це було інакше, то внаслідок акустичного резонансу поси­лювалися й сприймалися б лише ті звуки, частота коливань яких збігалася з її власною частотою коливань.

 

 

Рисунок 1.14

Біля барабанної перетинки (в кінці акустичної труби) завжди ви­никає вузол стоячої хвилі, а на ви­ході вушної раковини — пучність. Завдяки цьому барабанна перетин­ка не вносить жодних спотворень у звукову хвилю (не змінюється ча­стота й форма хвилі).

Перейшов­ши через вузол, стояча хвиля про­никає в середнє вухо. Воно запов­нене повітрям, у якому міститься три невеличкі кісточки: молоточок 4, коваделко 5 і стремінце 6. Свої назви ці кісточки одержали згідно зі своєю формою.

Надійшовши у вушну раковину, звукова хвиля змінює в ній величину атмос­ферного тиску. Будь-яка зміна атмосферного тиску деформує барабанну пере­тинку. Барабанна перетинка деформується відповідно до зміни звукового тиску, утвореного звуковою хвилею, й приводить у рух молоточок. Молоточок ударяє по коваделку, яке, у свою чергу, тисне на стремінце. Коливальні рухи стремінця крізь овальне віконце передаються у внутрішнє вухо 7.

У середньому вусі поряд з передачею звуку відбувається й посилення інтен­сивності звукової хвилі. Річ у тім, що площа поверхні овального віконця майже в 22 рази менша від площі поверхні барабанної перетинки. І тому в момент пере­дачі звуку від барабанної перетинки до овального віконця енергія звукової хвилі концентрується на значно меншій площі, що й зумовлює збільшення інтенсив­ності звукової хвилі. Крім того, слухові кісточки працюють як важіль, довге плече якого приблизно у 2,5 разу більше від короткого. Завдяки цьому звуковий тиск на овальне віконце зростає ще в 2,5 разу. Як наслідок, завдяки резонансу й важільній системі слухових кісточок інтенсивність звукової хвилі, що надходить у внутрішнє вухо, збільшується майже у 80 разів.

Звукова хвиля, зазнавши значного підсилення у вушній раковині і се­редньому вусі, крізь овальне віконце переміщується у внутрішнє вухо — у завитку 7 (рис.1.14). Вона являє собою кісткову порожнину, яка має форму спіралі в 2,5 витка. Внутрішня порожнина завитка запов­нена в'язкою рідиною — ендолімфою.

Рисунок 1.15

Завитка по всій своїй довжині переділена перегород­кою — основною (базальтовою) мембраною 1 (рис1.15). Поперек неї туго натягнуто «20 000 "живих струн" — еластичних волокон 0,04-0,5 мм завдовжки. Це і є звукосприймальний апарат органа слуху — кортіїв орган — мале­сенька "гітара" з 20 000 струн, виготовлена Природою у вигляді спіралі (рис. 1.16).

 

Рисунок 1.16

Перейшовши у внутрішнє вухо, звукова хвиля приводить у коливальний рух ендолімфу, коливання якої передаються основній мем­брані. Разом з основною мембраною колива­ються й усі натягнуті на ній волокна. Короткі волокна (вони розміщені на тонких ділянках мембрани біля овального віконця) резонують на коливання високої частоти, а довгі найбіль­ше чутливі до коливань низької частоти.

Усі волокна коливаються разом з мембра­ною, але амплітуда коливань у різних волокон неоднакова. Енергія звукової хвилі, що надійшла до основної мембрани, не розподіляється порівну між усіма 20 000 волокон. Вона передається тим волокнам, частота коливань яких збігається з частотами коливань у звуковій хвилі. Звукова хвиля може складатися з кількох сот і навіть тисяч простих коливань (тонів). Одне волокно резонує (відгукується) тільки на один тон. Ті волокна, амплітуда коливань яких виявилася максимальною, пород­жують у слуховому нерві нервові імпульси — електричні сигнали. Вони досягають слухового центра головного мозку, де вже остаточно й формується звукове відчуття. Механізм цього процесу досить складний і досі лишається не зовсім зрозумілим.

Фізичні основи голосу

Ми спілкуємося між собою за до­помогою звукових хвиль, які створюються голосовим апаратом. Голосовий апарат лю­дини складається з

3

 

 

 

Рисунок 1. 17

голосових зв'язок 1 (рис.1.17), розміщених на бокових стінках гортані, і кількох резонаторних порожнин — ротової 2, носової З, і глоткової 4.

Голосові зв'язки складаються з окремих еластичних і м'язових волокон. Під час спо­кійного дихання голосові зв'язки ненапружені й утворюють широку щілину 1 (рис1.18, а). Крізь неї вільно проходить повітря в легені й назад. Під час розмови м'язи гортані натягують голосові зв'язки, вони стають коротшими й утворюють вузь­ку щілину (рис.1.18, б).

 

а

Рисунок 1.18

Коли повітря, яке видихається легенями, прохо­дить крізь голосову щілину, то голосові зв'язки при­ходять у коливальний рух у площині утвореної ними щілини. Під час коливання голосових зв'язок у повітрі, що проходить голосовою щілиною, виникає первинна звукова хвиля — розрідження й згущення молекул по­вітря, що чергуються між собою. Частота коливань та інтенсивність первинної звукової хвилі залежать від довжини голосових зв'язок, а остання — від ступеня їх натягу м'язовими волокнами.

Первинна звукова хвиля далі поширюється в порожнині носоглотки й рота, де й відбувається ос­таточне формування голосних звуків завдяки узгод­женим між собою положенням язика та губ. Але тут відбувається не лише формування, а й посилення звуків унаслідок акустичного резонансу. Резонато­рами слугують порожнини носоглотки й рота, кож­на з яких має свої дві основні частоти (тони). І тому в кожному голосному звуку посилюються два тони, які називаються формантами.

В утворенні приголосних звуків, крім язика й губ, бере участь також і м'яке підне­біння, внаслідок чого за своїм частотним складом приголосні наближаються до шумів.

 

Звукові методи діагностики

Звук є джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини. Робота сер­ця, легенів та інших органів супроводжується звуковими явищами, що виникають під час їх роботи. Знаючи, якими повинні бути ці звуки при нормальному функціо­нуванні органів і тканин, можна визначити характер захворювання або пошкоджен­ня органа при тому чи іншому захворюванні.

Прослуховування і аналіз тонів та шумів, що виникають під час функціонуван­ня внутрішніх органів, називається аускультацією.

Розрізняють два види аускультації – пряму й непряму. За прямої аускультації лікар вислуховує хворого безпосередньо, прикладаючи своє вухо до тіла хворого. В цьому випадку звуки, що виникають під час роботи внутрішнього органа, не спотворюються. Але пряма аускультація не завжди зручна й гігієнічна. І тому зазвичай проводять непряму аускультацію за допомогою стетоскопа й стетофонендоскопа.

Стетоскоп – це дерев’яна або пластмасова трубка, один кінець якої дещо розширений, а на другий насаджений лійкоподібний раструб (рис.19 б). Раструб стетоскопа міцно притискають до вислухованої ділянки тіла, а другий кінець трубки – до вушної раковини лікаря. Коли стетоскоп притискають до тіла хворого, він перетворюється на акустичну трубу, закриту з обох кінців. У ній виникає стояча хвиля внаслідок накладання прямої (тієї, що передається від хворого лікарю) й відбитої від вушної раковини лікаря. Амплітуда коливань у стоячій хвили, а отже, й гучність звуку збільшується у двічі. Внаслідок акустичного резонансу посилюються ті тони досліджуваного звуку, частоти яких кратні власній частоті коливань стетоскопа.

Рисунок 1.19

Для збільшення гучності досліджуваних звуків застосовують стетофонендоскоп (рис. 19 а). Він складається з лійки 1, затягнутої пружною мембраною, і лійки 2, такої ж самої як і в стетоскопі, та двох гумових трубок 3 з наконечниками. Під час вислуховування лійку прикладають до досліджуваної ділянки тіла, а наконечники трубок уставляють у слухові проходи. У цьому випадку звук сприймається обома вухами, і його гучність збільшується вдвічі порівняно зі стетоскопом. Лійку 1 використовують для вислуховування легень, а лійку 2 – для вислуховування тонів серця. Стетофонендоскоп використовується також і під час вимірювання артеріального тиску, визначення характеру кишкових шумів, під час обстеження легень і кровоносних судин.

Постукування виконують зігнутим середнім пальцем правої руки по пальцях лівої, міцно притиснутих до тіла (пряма перкусія) або гумовим молоточком (мал. 20, а) по металевій пластинці – плесиметру (мал.20 б; непряма перкусія)

Рисунок 1.20

Для прослуховування звуків ви­користовують фонендоскоп. Його дія ґрунтується на резонансному підсиленні зву­ку. Резонансні порожнини дають характерні (з малим затуханням) звукові коливан­ня і по-різному проводять звуки, що використовується в іншому методі звукового дослідження - перкусії.

Перкусія (постукування) - це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні мо­лоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого. При постукуванні резону­ють порожнини всередині організму, м'які, пружні, тверді та порожнисті органи по-різному реагують на звук молоточка або пальця. При ударі по пружних тканинах або тканинах, що оточують порожнини тіла, заповнені повітрям, внутрішній звук підсилюється і стає дзвінким (тимпанічним). Якщо черевна порожнина містить багато рідини (водянка), перкуторний звук буде коротким і глухим.

Добрий резонанс дають порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та елас­тичні перетинки (ясний звук).

Для діагностики серцевих захворювань використовують метод фонокардіог­рафії (ФКГ). Цей метод полягає у графічній реєстрації тонів та шумів серця. Запис фонокардіограм здійснюють за допомогою фонокардіографа. Він складається з мікрофона, підсилювача, системи частотних фільтрів і реєструючого пристрою.

Втрату слуху досліджують методом аудіометрії. З цією метою визначають поріг чутливості для різних тонів на спеціальному приладі - аудіометрі. Отримана крива називається аудіограмою. Порівняння аудіограми хворої і здорової людини дозволяє діагностувати захворювання органів слуху.

 

Ультразвук та інфразвук

Ультразвуком називають механічні коливання і хвилі з частотами, більшими 20 кГц. Застосування ультразвуку в різних галузях, включаючи медицину, пов'я­зані з тією їх важливою властивістю, що будь-які зміни в середовищі, через яке проходить ультразвукова хвиля, приводять до зміни швидкості розповсюдження і поглинання цієї хвилі, відбиття хвилі від границі розділу, акустичної кавітації - по­яви мікропорожнин в матеріальному середовищі (наприклад, в рідині) під дією ко­ливань тиску. Так, при інтенсивності ультразвукової хвилі = 10⁵ Вт/м² і частоті 5 10⁶ Гц на відстані половини довжини хвилі А/2=0,03 мм утворюється дуже великий перепад тиску, що дорівнює 6,3 10⁷ Па/см, тобто цей перепад в 630 разів перевищує нормальний атмосферний тиск. Кавітаційний та інші механізми дії уль­тразвуку можуть викликати механічні ефекти (розрив і загибель бактерій тощо), хімічні ефекти (збудження й іонізація атомів та молекул з утворенням радикалів), які можуть бути як позитивними, при відносно малих інтенсивностях, так і нега­тивними, при великих інтенсивностях ультразвукової хвилі.

Розповсюдження ультразвукової хвилі залежить від акустичних властивостей біосередовища. Найменший хвильовий (акустичний) опір мають біорідини, найбільший – кісткова тканина. Так, при частоті 1 МГц поглинання ультразвукової хвилі поглинання ультразвукової хвилі відбувається на глибині 0,2 см, а в рідині – 35 см, тому рідина є ідеальним середовищем для розповсюдження ультразвукових коливань.

Медико-біологічне застосування ультразвуку має два напрямки: методи діагностики і методи лікування.

Зміна швидкості і поглинання ультразвуку в різних органах і тканинах, а також відбиття ультразвукової хвилі на границях різних середовищ в організмі людини лежать в основі відомого методу ультразвукового дослідження (УЗД). Створені спеціальні комп'ютеризовані пристрої, які за певною програмою дозволяють візуалізувати зображення на екрані монітора. Сучасними прикладами УЗД в медицині є ультразвукова ехоенцефалографія - діагностування пухлин та запалень головного мозку, ультразвукова кардіографія - дослідження динаміки серцевої діяльності за допомогою ультразвуку, ультразвукова голографія - отримання тривимірних зобра­жень біооб'єктів з використанням інтерференції ультразвукових променів, ультразвукова локація для визначення розмірів в офтальмології тощо.

Дія ультразвукової хвилі з малою інтенсивністю (на рівні 1 Вт/м²) використо­вується як позитивний терапевтичний вилив, в основі якого лежить прискорення фізіологічних процесів у клітинах.

При збільшенні інтенсивності ультразвуку на декілька порядків (до 10⁶ Вт/м² і вище) внутрішні рухи окремих цитоплазматичних частин клітин підсилюються, виникає ефект кавітації і, як наслідок, незворотні зміни структури і функцій клітин. Подібний механізм лежить в основі бактерицидної дії ультразвуку, що використовується для стерилізації медичних інструментів.

Ультразвук великої інтенсивності використовується також з метою руйнуван­ня різного роду новоутворень (пухлин тощо). Подібний механізм дії ультразвуку застосовується також в стоматології (зняття зубних каменів, висвердлювання зуб­них каналів тощо). Процес руйнування біологічних тканин при інтенсивностях вище 10⁶ Вт/м² використовується в ультразвуковій хірургії та при ультразвуковому остеосинтезі - зварюванні тканин та кісток за рахунок значного підвищення в них швид­кості процесів дифузії.

У фармацевтичній промисловості кавітаційні процеси, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, використовуються для диспергування твердих і рідких матеріалів з метою отримання лікувальних порошків, емульсій, суспензій.

Механічні та теплові ефекти, що виникають при дії ультразвуку на різні біо­логічні тканини, лежать в основі методу ультразвукової фізіотерапії. Один з генераторів ультразвукових хвиль (апарат для ультразвукової терапії УТП-3м) показано на рис.21

Рисунок 1.21

Ультразвук використовують в акушерстві, кардіології, неврології, урології. За допомогою ультразвуку подрібнюють камені в нирках. При

туберкульозу, бронхіальної астми, катару верхніх дихальних шляхів застосовують аерозолі різних лікувальних засобів, отриманих за допомогою ультразвуку.

Коливання частинок середовища викликає мікромасаж тканин, поглинання ультразвуку дає локальне нагрівання.

Інфразвук

Інфразвукові коливання і хвилі - це пружні коливання з частотами до 16 (20) Гц. Інфразвук не сприймається органами слуху людини. Інфразвук дуже слабко поглинається у газах, рідинах та твердих тілах і тому може розповсюджуватися майже без втрат на великі відстані. Ця надзвичайно важлива властивість інфразвуку використовується у техніці - у звукометричних приладах (мікрофони, гідрофони тощо), для реєстрації різноманітних процесів, що відбува­ються з інфразвуковими частотами. До таких процесів належать землетруси, ви­бухи, виробничі шуми і вібрації, грозові розряди, турбулентні явища в атмосфері, хвилі цунамі тощо.

Інфразвук негативно впливає на функціональний стан ряду систем організму. Вважають, що первинний механізм дії інфразвуку на організм має резонансну при­роду Частоти власних коливань тіла людини відповідають частоті інфразвуків, тому вони викликають головний біль, роздратування, втому, знижують працездатність.

Інфразвукові хвилі діють на тканини людського організму так само, як і вібрації. Під дією інфразвукових хвиль виникає деформація тканин: вони періодично стискаються і розтягуються з частотою нижчою ніж 20 Гц. Інфразвукова вібрація тканин призводить до вторинних фізіологічних процесів: сповільнюються зорові реакції, виникає головний біль, знижується працездатність. Вважають, що інфразвукові хвилі частото. 3-12 Гц проникають у мозок і пригнічують психіку людини. Інфразвуки певної частоти інколи зумовлюють напади епілепсії й породжують у людини панічний жах.

На відміну від людини, деякі тварини сприймають інфразвуки частотою 8-12 Гц. Такі інфразвукові хвилі утворюються перед штормом і землетрусом і поширюються на великі відстані. Море сповіщає про те, що наближається шторм, але на жаль, людина цього «голосу моря» не чує. Зате його добре чують морські птахи, дельфіни, кити, пінгвіни, глибоководні риби і медузи.

Виявляється. Що у медузи є орган слуху 1 (рис.1.22), який за формою подібний до колби.

 

 

Рисунок 1.22

Усередині «колби» плавають камінчики2, які час від часу торкаються нерва. «голос моря» спочатку сприймає «колба», заповнена рідиною, а потім через камінчики інфразвукові хвилі передаються до нервової системи медузи3. Сприйнявши сигнал тривоги, медузи заздалегідь відпливають від берега на глибину, щоб морські хвилі під час шторму їх не викинули на берег. Дельфіни запливають за скелі, а кити - у відкрите море.

Зрозумівши, як працює орган слуху медузи, фізики й інженери за таким самим принципом сконструювали прилад, за допомогою якого можна заздалегідь (за 15 годин) визначити час початку шторму. Звукові й інфразвукові хвилі, що виникають у повітрі перед штормом, уловлюються рупором 1 (рис.1.23) і фільтруються за допомогою резонатора2, в якому посилюються лише інфразвукові коливання частотою 8-13 Гц, а всі інші гасяться. Далі п`єзодатчик 3 перетворює інфразвукові коливання на змінний струм інфразвукової частоти. Імпульси електричного струму посилюються за допомогою підсилювача й вимірюються міліампериметром5, шкала якого проградуйована безпосередньо в балах – умовних одиницях сили шторму.

 

 

Рисунок 1.23

За своєю природою ультразвукові хвилі нічим не відрізняються від звукових. Відмінність полягає лише в частоті коливань, які поширюються в пружному середовищі. Частота ультразвукових хвиль коливається в діапазоні 2 - 1 Завдяки цьому в ультразвукових хвилях виникають специфічні властивості, яких немає у звукових та інфразвукових хвилях.

 

Вібрація

Деякі виробничі процеси пов'язані з вібрацією. Вібрація – це тремтіння всього тіла або окремих його частин під дією зовнішніх сил унаслідок виконання певних робіт.

Джерелом вібрації є механічні й електричні інструменти ударної або обертальної дії. Обладнання, встановлене без достатньої амортизації та віброізоляції, а також транспортні і сільськогосподарські машини. За характером впливу на організм розрізняють загальну та локальну вібрацію.

Загальна вібрація викликає тремтіння всього тіла людини, локальна – залучає до коливання лише окремі частини тіла (руки, передпліччя, ноги). Вібрація завдає великої шкоди здоров’ю людини – від перевтоми організму та незначних змін функцій організму до струсу мозку, розриву тканин, порушення серцевої діяльності і нервової системи, деформації м’язів та кісток, порушення чутливості шкіри і кровообігу тощо. Вібрації частотою понад 200 Гц перевантажують нервову систему людини, потребують підвищеного психічного напруження.

Систематичний вплив на людину довготривалої та інтенсивної дії вібрації може стати причиною вібраційної хвороби. Локальні вібрації викликають деформацію та зменшення рухомості суглобів. Класи умов праці залежно від рівня вібрації поділяються на допустимі, які відповідають ГДР-ДСН 3.3.6.зззз37-99. Шкідливі та небезпечні. Вживаються колективні та індивідуальні заходи щодо боротьби з вібрацією. Найпоширенішим інженерним методом захисту від вібрації є віброгасіння. Вібруючі машини з динамічним навантаженням (вентилятори, насоси, агрегати) встановлюють на окремі фундаменти. Джерела коливань ізолюють від опорних поверхонь гумовими, пружними або комбінованими віброізоляторами.