8. Скорость волны в среде, акустический импеданс. Коэффициент проникновения звуковой волны.

Скорость распространения волны . Скорость зависит от свойств среды (упругости, плотности, температуры), но не зависит от частоты колебаний.

Среда	звуковой волны (м/с)
Воздух (при 20 )	330
Вода (при 20 )	1500
Кости черепа	3660

Скорость распространения звука, таким образом, характеристика среды.

Акустические импеданс (волновое сопротивление) среды – характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на границе раздела сред.

Акустическим импедансом ( ) называют произведение плотности среды ( ) на скорость ( ) распространения звуковой волны в среде:

Коэффициент проникновения звуковой волны ( ) – это величина, равная отношению интенсивностей прошедшей и падающей волн:

Где .

Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука определяется формулой

Где – плотность среды, а – скорость звуковой волны.

Нибольшее значение, которое может принимать согласно этой формуле, равно 1, которое может получиться, если . Таким образом, при равенстве волновых сопротивлений двух сред звуковая волна (при нормальном падении) пройдет границу раздела без отражения.

9. Характеристики слухового ощущения, их связь с физическими характеристиками звука. Закон Вебера-Фехнера. Физические основы звуковых методов исследования в клинике: аускультация, перкуссия, фонокардиография, аудиометрия.

Характеристики слухового ощущения (субъективные характеристики).

1. Высота тона.

- обсуловлена, прежде всего, частотой основного тона ( ); чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук.

- в меньше степени звисит от интенсивности звука ( ); чем больше интенсивность, тем более низким воспринимается звук.

2. Тембр – определяется акустическим спектром (числа обертонов и их относительной интесивностью).

3. Громкость ( ).

- характеризует уровень слухового ощущения.

- может быть количественно оценена путем сравнения слуховых ощущений от двух источников.

- уровень громкости звука при частоте в 1 кГц уровню интенсивности в дБ.

Психофизический закон Вербера-Фехнера - если раздражение увеличивать в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Где – коэффициент пропорциональности (зависит от интенсивности и частоты).

Условно считают, что на частоте 1 кГц => . Громкость на других частотах измеряют, сравнивая ее с громкостью на частоте 1 кГц.

Объяснение закона: люстра, в которой 8 лампочек, кажется нам настолько же ярче люстры из 4-х лампочек, насколько люстра из 4-х лампочек ярче люстры из 2-х лампочек. То есть количество лампочек должно увеличиваться в одинаковое число раз, чтобы нам казалось, что прирост яркости постоянен. И наоборот, если абсолютный прирост яркости (разница в яркости «после» и «до») постоянен, то нам будет казаться, что абсолютный прирост уменьшается по мере роста самого значения яркости. Например, если добавить одну лампочку к люстре из двух лампочек, то кажущийся прирост в яркости будет значительным. Если же добавить одну лампочку к люстре из 12 лампочек, то мы практически не заметим прироста яркости.

Можно сказать и так: отношение минимального приращения силы раздражителя, впервые вызывающего новые ощущения, к исходной величине раздражителя есть величина постоянная.

Закон Вебера — Фехнера можно объяснить тем, что константы скорости химических реакций, проходящих при рецептировании, нелинейно зависят от концентрации химических посредников физических раздражителей или собственно химических раздражителей.

Кривые равной зависимости показывают зависимость уровня интенсивности от частоты звука при заданной громкости .

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом его главное значение. Естественно, звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Аускультация - выслушивание звуков, возникающих в организме человека, при помощи стетоскопа (фонендоскопа). Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной, от которой идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация.

Фонокардиография – графическая регистрация тонов и шумов сердца при помощи фонокардиографа(метод подобен аускультации).

Аудиометрия — определение слуховой чувствительности к звуковым волнам различной частоты. Исследование проводит врач сурдолог. Точное исследование проводят с помощью аудиометра. Аудиометрия позволяет исследовать как костную так и воздушную проводимость. Результатом тестов является аудиограмма, по которой отоларинголог может диагностировать потерю слуха и различные болезни уха. Регулярное исследование позволяет выявить начало потери слуха.

Перкуссия – исследование внутренних органов посредством простукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Человеческое тело следует представить как совокупность газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы) и твердых (кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и, вследствие резонанса, будут слышимы. По характеру свойств звука врач определяет топографию внутренних органов, физическое состояние и отчасти их функцию.

10. Ультразвук (УЗ). Особенности распространения УЗ. Действие УЗ на вещество. Использование УЗ в медицине для лечения и диагностики.

Ультразвуком называют механические колебания и волны с частотой более 20 кГц.

Излучатели и приемники ультразвука.

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГЦ. Верхний предел ультразвуковых частот условно считают равным 10⁹ 10¹⁰ Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна. Источником ультразвука могут быть как естественные явления, так и искусственные установки - генераторы ультразвука. Естественными источниками УЗ являются животные, издающие ультразвук (кузнечики, саранча, сверчки, летучие мыши, дельфины). Все эти животные воспроизводят УЗ и воспринимают его специальными рецепторными аппаратами. Например, летучие мыши издают УЗ с частотой 70-80кГц. Издаваемые ими колебания отражаются от окружающих предметов и воспринимаются специальными механорецепторами как своеобразные сигналы о лежащих на пути препятствиях. С помощью своего ультразвукового локатора летучие мыши очень точно ориентируются в полете. Ультразвук воспринимают не только летучие мыши и некоторые насекомые, но и дельфины, киты, кошки, собаки, грызуны, лягушки. Их слуховой аппарат настроен на более широкий диапазон звуковых колебаний.

Источником ультразвука может быть и неживая природа: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе ракетных двигателей, некоторых двигателей и станков.

В технике ультразвук получают с помощью устройств, называемые УЗ-излучателями (генераторы УЗ). Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлениях магнитострикционного эффекта и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Магнитострикционные излучатели применяются для генерирования низкочастотных ультразвуков (до 80 кГц). Явление магнитострикции заключается в механической деформации стержня или трубки из ферромагнитного материала, помещенного в переменное магнитное поле параллельно направлению силовых линий. Под воздействием переменного магнитного поля происходит растяжение и сжатие стержня, что приводит к образованию УЗ-волн низких частот. Если стержень первоначально не был намагничен, то он будет колебаться с удвоенной частотой. Если периоды собственных колебаний стержня и магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальна (явление резонанса), а так как колебания стержня продольные, то ультразвуковая волна будет исходить из концов стержня. Наиболее часто применяют стержни из никеля, дающие хороший магнитострикционный эффект. Основной частью та кого излучателя является стержень из ферромагнитного материала, помещенного в соленоид, который соединен с источником переменного тока.

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвуков с частотами до 50 МГц.

Явление обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в механической деформации некоторых материалов (кристаллы кварца и турмалина, сегнетова соль, фосфорнокислый аммоний, керамический материал на основе титаната бария) под действием переменного электрического поля. Если к определенным плоскостям кристалла подвести переменное электрическое поле, то кристалл сжимается или растягивается в зависимости от полярности электрического поля. Основной частью такого излучателя является пластинка или стержень из пьезоэлектрического материала. На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды. При действии переменного электрического поля пластина вибрирует, излучая механическую волну соответствующей частоты. Наибольшая интенсивность УЗ-волны наблюдается при выполнении условия резонанса.

Для регистрации и анализа ультразвуков применяются пьезоэлектрические и магнитострикционные датчики - приёмники ультразвука.

В пьезоэлектрическом датчике используется прямой пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект состоит в том, что при механической деформации указанных выше кристаллов в определенных направлениях на их границах появляются электрические заряды противоположных знаков, что приводит к генерации электрического поля. Это явление обусловлено деформацией элементарных кристаллических ячеек и сдвигом подрешеток относительно друг друга при механическим воздействии на кристалл. В пьезодатчиках под действием регистрируемых ультразвуковых волн в пластинке возникают вынужденные механические колебания (переменная деформация), которые и приводят к генерации переменного электрического поля, соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.

Магнитострикционные датчики основаны на явлении изменения индукции магнитного поля ферромагнитного стрежня при его механической деформации. Переменная деформация ферромагнитного стержня, на торец которого действует ультразвуковая волна, вызывает возникновение переменной электродвижущей силы электромагнитной индукции в обмотке катушки, надетой на сердечник.

Свойства УЗ-волны и особенности ее распространения.

УЗ-волна, подобно звуковой, состоит из чередующихся участков сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ-волны зависит от свойств среды. В воздухе составляет примерно 343,1 м/с, а в жидких средах 1500 м/с при температуре среды 20⁰С. Скорость звуковых волн зависит от температуры среды, в которой они распространяются.

Длина волны  зависит от частоты , при увеличении частоты длина волны убывает, поэтому длина УЗ-волны значительно меньше чем звуковой волны, воспринимаемых человеческим ухом.

Например, в воде длины волн равны 1.4 м при частоте 1 кГц и 1,4мм при частоте 1 Мгц.

В средах с резко выраженными неоднородностями (размеры препятствий соизмеримы с длина волны) наблюдаются отклонение волны от прямолинейного распространения (явление дифракции). Если размеры препятствия больше длины волны, то за преградой образуется "УЗ-тень". Если же размеры препятствий меньше чем длина волны, то дифракционные явления выражены слабо и их можно не учитывать, следовательно УЗ-лучи распространяются направленным потоком и легко фокусируются.

Следовательно, вследствие малости длины ультразвуковой волны по сравнению с звуковых волнами в слышимом области, ультразвуки, подобно свету, могут излучаться в виде узких направленных пучков и на границе раздела двух сред их отражение и преломление происходит по законам геометрической оптики.

Отражение и преломление УЗ-волны на границе раздела двух сред.

Отражение УЗ на границе раздела сред зависит от соотношения волнового сопротивления сред.

Волновое сопротивление является характеристикой среды, определяющей условие отражения и преломления волн на границе сред. Волновое сопротивление среды равно произведению плотности среды и скорости распространения УЗ-волны .

Представим себе, что УЗ-волна падает нормально на границу раздела сред. Интенсивность падающей волны - , интенсивность преломленной волны – . Отношение называют коэффициент проникновения звуковой волны.

Коэффициентом проникновения звуковой волны называют величину равную отношению интенсивности преломленной волны к интенсивности падающей волны. Рэлей показал, что:

Из этой формулы видно, что если , то коэффициент проникновения максимален и равен 1. В этом случае УЗ волны проходят во вторую среду без отражения. Если , то коэффициент проникновения рассчитывается по формуле:

В этом случае проникновение будет незначительное, а отражение УЗ-волны максимальное. Например, коэффициент проникновения на границе воздух-кожа составляет 0.08%. Если волновые сопротивления сред соизмеримы, то часть волнового потока отражается, а часть его проходит во вторую среду. В этом случае коэффициент проникновения рассчитывается по формуле Рэлея. Например, на границе глицерин-кожа коэффициент проникновения составляет 99,3%, а доля отраженной волны составляет 0.7%. Следовательно, если УЗ-излучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникает внутрь, т.к. практически полностью отражается от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. При использовании водного желе, которым покрывают поверхность кожи, интенсивность преломленной (проникающей) волны наибольшая.

УЗ-волны обладают высокой отражательной способность на границе мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов.

Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависит от свойств среды, на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества.

Действие УЗ на вещество и на ткани организма.

При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия: механическое, тепловое и химическое.