4.Инфразвук, диапазон частот; эффекты и механизмы воздействия инфразвука на организм человека

Инфразвуком называют акустические колебания с частотой ниже 20 Гц. "Инфразвук" происходит от лат. infra - "ниже, под" и означает упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот.

Влияние инфразвука на организм человека В конце 60-х годов французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвук определенных частот может вызвать у человека тревожность и беспокойство.

Инфразвук с частотой 7 Гц смертелен для человека.

Источниками инфразвука на суше могут быть компрессоры, двигатели внутреннего сгорания, движущийся транспорт, промышленные кондиционеры и вентиляторы. Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что человеческий организм высокочувствителен к инфразвуку. Воздействие его происходит не только через слуховой анализатор, но и через механорецепторы кожи. Возникающие под воздействием инфразвука, нервные импульсы нарушают согласованную работу различных отделов нервной системы, что может проявляться головокружением, болями в животе, тошнотой, затрудненным дыханием, чувством страха, при более интенсивном и продолжительном воздействии - кашлем, удушьем, нарушением психики. Инфразвуковые колебания даже небольшой интенсивности вызывают тошноту и звон в ушах, уменьшают остроту зрения. Колебания средней интенсивности могут стать причиной расстройства пищеварения, сердечно-сосудистой, дыхательной систем, нарушения психики с самыми неожиданными последствиями. Инфразвук высокой интенсивности, влекущий за собой резонанс, из-за совпадения частот колебаний внутренних органов и инфразвука, приводит к нарушению работы практически всех внутренних органов, возможен смертельный исход из-за остановки сердца, или разрыва кровеносных сосудов;

5.Ультразвук; шкала интенсивностей ультразвука; особенности ультразвука; воздействие ультразвука на организм, применение в медицине.

         Ультразвуком  называют продольные механические волны с частотами колебаний выше 20 КГц.  Как и звуковые волны, ультразвуковая волна представляет собой чередования сгущений и разряжений среды. В каждой среде скорость распространения,  как звука, так и ультразвука – одинакова. Ввиду этого, длина  ультразвуковых волн в воздухе  меньше чем 17 мМ  (V  = λ *  ν ;  V возд = 330 м/с). 

Источниками ультразвука являются специальные электромеханические излучатели. Один тип излучателей работают на основе явления магнитострикции, когда  в переменном магнитном поле изменяются размеры некоторых тел (например, никелевого стержня).  Такие излучатели позволяют получить колебания с частотами от 20 до 80 КГц. От источника переменного тока с указанными частотами напряжение подается на никелевый стержень, продольный размер стержня изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 4).

Второй тип излучателей работает на основе пьезоэффекта, когда в переменном электрическом поле  изменяются размеры некоторых тел – материалов из сегнетоэлектриков. Для этого типа излучателей можно получать более высокочастотные колебания – до 500 МГц. От источника переменного тока напряжение также  подается на  боковые грани стержня изготовленного из сегнетоэлектрика (кварц, турмалин), продольный размер стержня при этом  изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 5). И в первом и во втором случаях ультразвук излучается вследствие колебаний боковых граней стержня, в последнем случае эти грани металлизированы для подведения тока к образцу.

Приемники ультразвука работают по принципу обратных явлений магнитострикции и пьезоэффекта: ультразвуковая волна вызывает колебания линейных размеров тел, когда тела находятся в поле ультразвуковой волны, колебания размеров сопровождается появлением либо переменного магнитного, либо переменного электрического полей в  материале. Эти поля, возникающие в соответствующем датчике, регистрируются каким либо индикатором, например осциллографом. Чем интенсивнее ультразвук, тем больше амплитуда механических колебаний образца – датчика  и тем больше амплитуда возникающих переменных магнитного или  электрического полей.

 

   Особенности ультразвука.

 Как уже было сказано выше в каждой среде скорость распространения,  как звука, так и ультразвука – одинакова. Наиболее важной особенностью ультразвука является узость  ультразвукового пучка, что позволяет воздействовать на какие либо объекты локально.  В неоднородных средах  с мелкими  неоднородностями, когда  размеры включений примерно равны но больше длины волны (L ≈ λ) имеет место явление дифракции.  Если  размеры включений много больше  длины волны (L >> λ) имеет место прямолинейность распространения ультразвука. В этом случае возможно получать ультразвуковые тени от таких включений, что используется при различных видах диагностики – как технической, так и медицинской. Важным теоретическим моментом при использовании ультразвука является прохождение ультразвука  из одной среды в другую. Такая характеристика волн, как частота при этом  не изменяется.  Напротив, скорость и длина волны  при этом могут изменяться.  Так  в воде скорость акустических волн равна 1400 м/с, когда в воздухе – 330 м/с. Проникновение ультразвука в другую среду характеризуется коэффициентом проникновения (β).  Он определяется как отношение интенсивности волны попавшей во вторую среду к интенсивности,  падающей волны:       β  =  I₂  /  I₁ – Рис 6.   Этот коэффициент зависит от  соотношения акустических импедансов двух сред. Акустическим импедансом называют произведение плотности среды на скорость распространения волн в данной среде: Z₁  = ρ₁ * V₁,    Z₂  = ρ₂ * V₂ .  Коэффициент проникновения наибольший – близкий к единице,  если акустические импедансы двух сред примерно равны: ρ₁ * V₁, ≈ ρ₂ * V₂ .  В случае, если импеданс второй среды много больше, чем первой, коэффициент проникновения – ничтожно мал. В общем случае коэффициент  β вычисляют по формуле:

Для перехода ультразвука из воздуха в кожу человека β = 0,08 %, для перехода из глицерина в кожу β = 99,7 %. 

Поглощение ультразвука в различных средах.

В однородных средах ультразвук поглощается, как и любой вид излучений – по закону показательной функции:       

Величину L’ – называют слоем половинного поглощения – это то расстояние, на котором интенсивность волны уменьшается вдвое.  Слой половинного поглощения  зависит от частоты ультразвука и самой ткани – объекта. С  увеличением частоты  величина  L_1/2  - уменьшается. Для различных тканей организма имеют место следующие значения степени поглощения ультразвука:

Вещество	Вода	Кровь	Хрящ	Кость
L’	300 см	2 – 8 см	0,24 см	0,05 см

 

Действие ультразвука на ткани организма. 

      Имеет место  три  вида действия ультразвука:

-        механическое,

-        тепловое,

-        химическое.

Степень воздействия того или другого вида определяется  интенсивностью. В связи с этим в медицине различают три уровня интенсивностей ультразвуков:

1 уровень   - до 1,5  Вт / см²,

2 уровень   - от 1,5 до 3  Вт / см²,

3 уровень   - от 3 до 10  Вт / см².

     Все три вида воздействия ультразвука на ткани связано с явлением кавитации  -  это кратковременные  (половины периодов колебаний частиц среды)  возникновения микроскопических полостей в местах  разряжения  среды. Эти полости заполняются парами жидкости, и  в фазе повышенного  давления (другая половина периода колебаний частиц среды) происходит схлопывание образовавшихся полостей.  При больших интенсивностях волн схлопывание полостей с находящимися в них парами жидкости может привести  разрушающему механическому воздействию. Естественно схлопывание микрополостей  сопровождается  тепловым эффектом.   С процессом схлопывания микрополостей  связано и химическое действие ультразвука, так как при этом  частицы среды  достигают больших скоростей поступательного движения, что может вызвать явление ионизации, разрыва химических связей, образования радикалов. Образовавшиеся радикалы могут вступать во взаимодействие с белками, лмпидами, нуклеиновыми кислотами и вызывать  нежелательные воздействия химической природы.