Отражение ультразвука. Звуковидение

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца – кость - надкостница, на поверхности по­лых органов и т. д. Используя это явления можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ-локация).

При УЗ-локации используют как непрерыв­ное, так и импульсное излучения:

В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и от­раженной волн от границы раздела.

Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультра­звука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распрост­ранения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ - излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет от­ражаться из-за наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздуш­ный слой, поверхность УЗ - излучателя покрывают слоем масла.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ в биологических объектах, вызы­вают следующие основные эффекты:

- микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;

- разрушение биомакромолекул;

- перестройку и повреждение биологических мембран, изме­нение проницаемости мембран;

- тепловое действие;

- разрушение клеток и микроорганизмов.

Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волны и размеров тел, на которых волна дифрагирует.

Непрозрачное (для звука) тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ - волны с длиной 1,4 мм - возникнет «УЗ-тень». Это позволяет в некоторых случаях не учиты­вать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отраже­нии эти волны как лучи (аналогичны преломлению и отражению световых лучей).

Действие ультразвука на клетки может сопровождаться следующими явлениями:

нарушением микроокружения клеточных мембран;

изменением проницаемости клеточных мембран, нарушением структуры мембран;

нарушением состава внутриклеточной среды;

изменением скоростей ферментативных реакций.

Медико-биологические приложения ультразвука можно в ос­новном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.

К первому направлению относятся локационные методы с ис­пользованием главным образом импульсного излучения:

- эхоэнцефалография — определение опухолей и отека головного моз­га;

- ультразву­ковая кардиография — измерение размеров сердца в динамике;

- в офтальмологии — ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред.

С помощью ультразвукового эффекта До­плера изучают характер движения сердечных клапанов и измеря­ют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму направлению относится ультразвуковая физио­терапия.Воздействие ультразвуком на пациента произво­дят с помощью специальной излучательной головки аппарата.

Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук часто­той 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см² и меньше.

Первичными механизмами ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.

При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жид­кость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств.

При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарствен­ных веществ, полученные с помощью ультразвука.

В настоящее время разработан новый метод «сваривания» по­врежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука

(ультразвуковой остеосинтез).

Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы ис­пользуется для стерилизации.

Интересно применение ультразвука для слепых.

Благодаря УЗ - локации с помощью портативного прибора «Ори­ентир» можно обнаруживать предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м.

Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биоло­гических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений поистине огромна. Так, можно ожидать, напри­мер, появления принципиально новых методов диагностики с внедрением в медицину ультразвуковой голографии.

Инфразвук

Инфразвук - упругие волны с частотами до 20 Гц

Инфразвуком называют механические (упругие) волны с частотами, меньшими тех, которые воспринимает ухо че­ловека (< 20 Гц).

Источниками инфразвука могут быть как естественные объек­ты (море, землетрясение, грозовые разряды и др.), так и искусст­венные (взрывы, автомашины, станки и др.).

Инфразвук часто сопровождается слышимым шумом, напри­мер в автомашине, поэтому возникают трудности при измерении и исследовании собственно инфразвуковых колебаний.

Для инфразвука характерно слабое поглощение разными сре­дами, поэтому он распространяется на значительное расстояние. Это позволяет по распространению инфразвука в земной коре об­наруживать взрыв на большом удалении его от источника, по из­меренным инфразвуковым волнам прогнозировать цунами и т. д. Так как длина волны инфразвука больше, чем у слышимых зву­ков, то инфразвуковые волны сильнее дифрагируют и проникают в помещения, обходя преграды.

Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функци­ональное состояние ряда систем организма: вызывает усталость, головную боль, сонливость, раздражение и др. Предполагается, что первичный механизм действия инфразвука на организм имеет резонансную природу. Резонанс наступает при близких значени­ях частоты вынуждающей силы и частоты собственных колеба­ний (см. § 5.5). Частоты собственных колебаний тела человека в положении лежа (3—4 Гц), стоя (5—12 Гц), частоты собственных колебаний грудной клетки (5—8 Гц), брюшной полости (3—4 Гц) и т. д. соответствуют частоте инфразвуков.

Снижение уровня интенсивности инфразвуков в жилых, про­изводственных и транспортных помещениях — одна из задач ги­гиены.

– НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ СЛУХА

Слух -восприятие звуковых колебаний, которое осуществляется органами слуха.Строение слухового аппарата показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Строение слухового аппарата (а) и элементы органа слуха (б)

По выполняемым функциям в слуховом аппарате человека выделяют звукопроводящую и звуковоспринимающую части. Такое деление представлено на рис. 2.2.

Рис. 2.2.Схематическое представление основных элементов слухового аппарата человека

Роль наружного уха. Функционирование наружного уха.Наружное ухо состоит из ушной раковины, слухового прохода (в виде узкой трубки), барабанной перепонки.

Ушная раковина играет роль звукоулавливателя, концентрирующего звуковые волны на слуховом проходе, в результате чего звуковое давление на барабанную перепонку увеличивается по сравнению со звуковым давлением в падающей волне примерно в 3 раза.

Наружный слуховой проход вместе с ушной раковиной можно сравнить с резонатором типа трубы.

Барабанная перепонка, отделяющая наружное ухо от среднего уха, представляет собой пластинку, состоящую из двух слоев коллагеновых волокон, ориентированных по-разному. Толщина перепонки около 0,1 мм.

Причина наибольшей чувствительности уха в области 3 кГц