Ультразвуки и инфразвуки

 

 

 

 

Содержание

 

Часть Ⅰ

Ультразвук:

Физические параметры  ультразвука……………………………………………..3

Влияние ультразвука на организм человека…………………………………….7

Источники ультразвука…………………………………………………………...8

Практическое применение ультразвука………………………………………..10

Ультразвуки в природе………………………………………………………….16

 

Часть  Ⅱ

Инфразвук:

Физические параметры  инфразвука и влияние его на человека……………..18

Применение инфразвука………………………………………………………..21

Инфразвуковые аномалии…………………………………………………………

Животные, использующие инфразвук……………………………………………

 

Вывод…………………………………………………………………………

 

Список использованных источников и литературы……………………………

 

Иллюстрации……………………………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические  параметры ультразвука

        Ультразвуком называют механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/см²). Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако некоторые животные, например, летучие мыши могут и слышать, и издавать ультразвук. Частично воспринимают его грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Ультразвуковые колебания возникают при работе моторов автомобилей, станков и ракетных двигателей.

Распространение ультразвука

      Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

      Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

      Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия, называется колебательной скоростью.

Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:

                            ,

где - величина колебательной скорости;

- амплитуда колебательной  скорости;

- частота ультразвука;

- время;

 - разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным

акустическим давлением.

      Амплитуда  колебательной скорости характеризует  максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

                                  = 2,

где - амплитуда смещения частиц среды.

Скорость  распространения ультразвуковых волн

      Колебательное движение передается от одной частицы к другой не мгновенно, а с некоторой скоростью. Таким образом, ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с конечной скоростью, определяющейся упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость ультразвука в жидких и твердых телах значительно выше, чем в воздухе (приблизительно 330 м/с). В воде скорость ультразвука при 20^оС примерно равна 1500 м/с, в сыворотке крови - 1520 м/с, в мягких тканях организма с плотностью среды около 1060 кг/м³ - 1540 м/с, в костных тканях - 3350 м/с.

Дифракция и интерференция

      Дифракция  (огибание волнами препятствий)  имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

      При одновременном  движении в ткани нескольких  ультразвуковых волн в

определенной точке среды  может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определенной точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определенного участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

      Интерференция  играет важную роль при оценке явлений, возникающих в

тканях вокруг ультразвукового  излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение  ультразвуковых волн

      Если среда,  в которой происходит распространение  ультразвука, обладает

вязкостью и теплопроводностью  или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

      Величину  поглощения можно характеризовать  коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и ее структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает, на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 37%). При частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. При частоте 2,4 МГц интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани на глубине 1,5 см, уменьшается в два раза.

      Кроме того, возможно аномальное поглощение  энергии ультразвуковых

колебаний в некоторых  диапазонах частот - это зависит  от особенностей

молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

      Под глубиной  проникновения ультразвука понимают  глубину, при которой интенсивность уменьшается наполовину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеивание ультразвуковых волн

      Если в  среде имеются неоднородности, то происходит рассеивание звука, которое может существенно изменить простую картину распространения

ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание  волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

      Так как  акустическое сопротивление мягких  тканей человека ненамного

отличается от сопротивления  воды, можно предполагать, что на границе

раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться

преломление ультразвуковых лучей.

Отражение ультразвуковых волн

      На явлении  отражения основана ультразвуковая  диагностика. Отражение

происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей.

      Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то

происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его  как бы

обтекает. Неоднородности организма  не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1 - 0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие ее ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и

наблюдается практически  полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

      Если при  распространении ультразвуковых  волн в среде не происходит  их

отражения, образуются бегущие  волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела.

      Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

      Если бегущие  ультразвуковые волны наталкиваются  на препятствие, оно

испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие  при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях - ультразвуковых весах.

                        

 

 

 

 

 

 

Влияние ультразвука на организм человека

      Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм,

поскольку передается при  непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются

ультразвуковые колебания.

       Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно - сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов.     

       Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер. При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног), вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции.

       В физиотерапии  обычно применяют ультразвуковые  волны с частотой 0,8 - 3 МГц. Большинство  серийных ультразвуковых терапевтических  аппаратов работают на одной из фиксированных частот этого диапазона, чаще всего – на 0,88 МГц.

       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 120 и более дБ – дают поражающий эффект.

      В поле  ультразвуковых колебаний в живых  тканях ультразвук оказывает

механическое, термическое, физико-химическое воздействие (микромассаж клеток и тканей). При этом активизируются обменные процессы, повышаются иммунные свойства организма. Ультразвук оказывает обезболивающее, спазмолитическое, противовоспалительное и общетонизирующее действие, стимулирует кровообращение и лимфообращение, ускоряет регенеративные процессы, улучшает трофику тканей. Так как ультразвук полностью отражается от тончайших прослоек воздуха, к телу его подводят через безвоздушные контактные среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источники ультразвука

      Ультразвук - это колебания с частотами,  большими 20000 Гц. Частота

сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария.