ЯГМА

Медицинская физика

Фармацевтический факультет

1 Курс

2 семестр

Лекция № 1.

« Акустика »

Составил: Крайнова Е.Ю.

2003 г.

I. Предмет физики. Ее задачи. Звук, его характеристики.

Физика - наука о свойствах и формах существования материи.

Биофизика - медико-биодогическая наука, изучающая физические процессы и явления в живых системах, в том числе при различных внешних воздействиях.

Цели и задачи курса медицинской и биологической физики:

1. Познакомиться с физическими и биофизическими механизмами, происходящими в тканях, органах и системах организма.

2. Изучить физические и биофизические характеристики органов и тканей и физические принципы их работы.

3. Познакомиться с физической основой методов диагностики и лечения.

4. Познакомиться с физической основой методов работы медицинской аппаратуры.

5. Изучить влияние внешних факторов на организм.

Особенности современной физики.

а) Современная физика имеет пограничные области с другими науками.

б) Физика разделена на ряд узких областей по разным признакам:

• по объему исследования;

• по предметам исследования.

Роль физики для других наук возрастает, она дает им теории, принципы, системы единиц, результаты экспериментов, создает основу для конструирования медицинской аппаратуры, объясняет различные физико-биологические процессы.

Особенности биофизики:

1. Является пограничной наукой.

2. Имеет узкие области:

• общие и частные;

• теоретические, экспериментальные и прикладные;

• изучает биофизику растений, животных и человека;

• квантовая биофизика;

• молекулярная, клеточная, биофизика тканей, органов, систем, популяций.

Звук, его характеристика.

Акустика - это наука о получении, распространении и свойствах механических волн и взаимодействии этих волн с физическими и биофизическими объектами.

Виды акустики:

1. Техническая — исследует получение и распределение звука, разрабатывает методы звуковых исследований.

2. Архитектурная - исследует вопросы получения хорошей слышимости или зашиты помещений (например, от шумов).

3. Биологическая - исследует получение и применение звука живыми организмами.

4. Медицинская - исследует физику и биофизику слуха и речи, возможности применения звука для диагностики и лечения. При этом следует различать применение слышимого звука и ультразвука.

Основные задачи медицинской акустики:

• разработка гигиенических норм использования звука в науке и промышленности;

• разработка звуковых методов диагностики и лечения;

• разработка ультразвуковых методов диагностики и лечения.

Звук как физическое явление.

Звук - разновидность механических колебаний, распространяемых в упругих средах преимущественно в виде продольных волн. В вакууме звук не распространяется.

Звуковая волна - механическое возмущение, распространяемое в упругой среде.

Звуковые колебания - механические колебания условных частиц среды.

Условные частицы - объемы среды, которые достаточно малы по сравнению с длинной волны.

Звуковое поле - часть пространства, в котором распространяется звуковая волна.

Классификация звуковых волн:

1. По частоте

• инфразвук (v < 16Гц)

• слышимый звук (16Гц < v < 20000Гц)

• ультразвук (20000Гц < v <100МГц)

• гиперзвук (v > 100МГц)

(все границы условны)

Инфразвук, ультразвук и гиперзвук не воспринимаются слуховым анализатором.

3. По направлению смещения частиц среды:

• Продольные - волны, у которых колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны.

• 

• 

• Поперечные — волны, в которых колебания частиц среды происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

В жидкостях и газах упругие силы возникают только при изменении объема, в них образуются только продольные волны.

В твердых телах упругие силы возникают как при изменении объема, так и при изменении формы, в них образуются как продольные, так и поперечные волны, причем скорость продольных волн больше скорости поперечных волн примерно в половину.

3. По форме колебаний:

• гармонические - графиком является периодическая синусоидальная кривая.

• негармонические - график - периодическая несинусоидальная кривая.

Гармонический спектр

Их особенностью является то, что их можно представить математически и графически в виде суммы конечного или бесконечного числа простых по частоте синусоид, колеблющихся с равной амплитудой.

II. Основные характеристики звуковой волны.

1. Амплитуда (А или X_max[м]) - это максимальное отклонение колеблющейся точки то положения равновесия.

2. Период (Т [с]) - время одного полного колебания частиц среды.

3. Частота (v [1/с=с^-1 = Гц]) - число полных колебаний за единицу времени, это величина обратная периоду.

n- число колебаний;

t - время колебаний.

4. Длина волны (λ [м]) - расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющихся в одинаковой фазе, или расстояние, на которое распространяется волна за один период.

5. Скорость ( [м/с]) - это отношение пути, пройденного звуковой волной ко времени прохождения этого пути. Скорость зависит от агрегатного состояния среды и от температуры.

Характеристики звукового поля.

1. Линейные:

а) Звуковое давление - это переменное давление, добавочное к статистическому давлению среды, возникающее при прохождении звука (р [Па]).

б) Смещение частиц среды - отклонение условных частиц среды от положения равновесия при прохождении звука (L[м])

в) Скорость колебаний частиц среды - быстрота изменения смещения частиц среды при прохождении звука.

г) Акустическое сопротивление - это величина, равная отношению звукового давления к скорости смещения частиц среды.

- плотность среды [кг/м³]

- скорость звуковой волны [м/с]

2. Энергетические:

Интенсивность (сила звука) - это величина, равная энергии звуковой волны, переносимой через единицу площади в единицу времени.

III. Психофизические характеристики звука.

Психофизика - наука о связи физических воздействий и возникающих при этом ощущений.

Психофизически звук делят на:

1. тоны,

2. шумы,

3. звуковые удары.

1. Тоны разделяют:

а) простые - звуковой сигнал данной частоты.

б ) сложные – состоят из кратного количества простых тонов.

в) основные - тоны, соответствующие минимальной частоте в наборе данного звука.

г) обертоны - тоны, соответствующие остальным частотам в наборе данного звука.

2. Шумы - сложные звуки, состоящие из большого числа простых и сложных тонов, число и интенсивность которых постоянно меняется.

3. Звуковой удар - кратковременный хлопок или взрыв.

Психофизические характеристики звука.

1. Высота тона - связана с частотой; чем больше частота, тем выше тон.

2. Громкость звука - определяется амплитудой волны, силой звука и частотой.

При J=const:

• на частоте v=16 - 1000Гц - громкость звука возрастает

• на частоте v = l000 - 3000Гц - громкость звука не изменяется

• на частоте v = 3000 - 20000Гц - громкость звука уменьшается

• при v > 20000Гц звук не слышим.

Единицы измерения громкости [Фон]

3. Тембр (окраска звука) - определяет качество звука - зависит от интенсивности и количества простых тонов, входящих в сложный звук.

Борьба с шумами.

Если звуковая волна взаимодействует с телом, то она частично поглощается и частично отражается от стен, потолка, пола. При этом отраженный звук будет сливаться с основным и при отключении источника звука затухает через некоторое время. Это явление называется реверберация. Время реверберации учитывается при строительстве аудиторий, концертных залов, театров и др.

Шум вредно воздействует на живой организм: возникает ослабление чувствительности слуха, частичная потеря слуха, повышение утомляемости, развитие нервных заболевании; устранение источников вредных шумов находится под надзором СЭС.

Вредность шума зависит от громкости и спектрального состава. Чем выше частота шума, тем более вредное воздействие он оказывает.

Борьба с шумами ведется путем озеленения, применения звукоизоляционных материалов, различных амортизаторов и глушителей и др.

Нормально допустимый уровень шума - 40 - 50 дб

Предельный уровень для звуковой высокой частоты ≈ 30 дб; для звуков низкой частоты – 100 дб.

Контроль производится с помощью шумометра, где звуковые колебания преобразуются в электрические, а шкала измерений дана в дб.