!!!_МЕД_ФИЗИКА_2020.pdf

5

Снятие кривой порога слышимости

Колебательным движением называют поочередные движения тел то в одном, то в противоположном направлении. Гармоническим колебанием называют такое колебание, при котором смещение

тела от положения равновесия изменяется по закону синуса или косинуса: S = A Sin(ωt+φ0).

Здесь S - смещение тела от положения равновесия. А - амплитуда колебаний (наибольшее смещение тела от положения равновесия). ω - циклическая частота в 2π раз большая обычной частоты колебаний ν (числа колебаний в единицу времени (ω = 2πν), Период колебаний - время одного полного колебания (ν = 1/T), фаза колебания φ = ωt+φ0, φ0 - начальная фаза колебаний.

Механической волной называют процесс распространения колебаний в упругой среде. Например,

волны на поверхности воды (частицы совершают колебания в вертикальном направлении, а волна распространяется в горизонтальном направлении - это поперечная волна). Другим примером волн является звук - частицы среды совершают колебания в том же направлении, в котором распространяется звуковая волна - это продольная волна с частотами колебаний частиц среды от 16 Гц до 20 КГц. Модель среды, в которой возможно распространение звуковой волны можно представить как множество - шариков, связанных между собой пружинками.

Движение одного шарика должно привести в движение соседние шарики спустя некоторое время.

Уравнение звуковой волны может быть записано для смещения частицы от положения своего равновесия (S).Однако принято

записывать уравнение не для смещения, а для звукового давления

6

(Р): в местах сгущений плотность частиц несколько больше и давление также несколько больше, в местах разряжения - наоборот.

Р(х,t) = Рмакс* Sin{2πν(t - x/V)}.

Звуковое давление Рмакс зависит от двух независимых переменных: t - времени и x - координаты точки среды, в которой распространяется звуковая волна. Амплитудное значение Рмакс- весьма маленькая величина, даже для уровня громкости болевого ощущения - составляет примерно 60 Паскаль (сравни с атмосферным давлением 105 Па).

Так как звук (волна) включает в себя колебательное движение, то характеристиками звука являются все характеристики колебаний. Кроме того, для волн есть свои специфические характеристики: Скорость волны - отношение расстояния, на которое распространилась волна (ΔХ) ко времени, за которое это произошло (Δt): V = Х / Δt.

Длина волны (λ) - расстояние, на которое распространяется волна за один период. Эти характеристики связаны простым соотношением: V = λ / T = λ * ν.

Интенсивность волны (плотность потока энергии волны): I=W/(S*t) - отношениt переносимой волной энергии (W) ко времени

(t) и к площади (S), через которую эта энергия перенесена (измеряется в системе СИ в Вт/м2).

Внесистемная единица интенсивности звука это Бел,

дециБел. Их используют ввиду того, что слуховой аппарат человека способен воспринимать звуки в очень большом диапазоне интенсивностей - от 10-12 Вт/м2 (порог слышимости) до 10 Вт/м2 (порог болевого ощущения), Интенсивность в Беллах можно определить по формуле через интенсивность в Вт/м2:

IБ = Lg (I / Io),

где Io - порог слышимости 10-12 Вт/м2. Приставка “деци” означает 1/10 часть. Поэтому, например, интенсивность 40 дБ соответствует 4 Белам - то есть интенсивности на 4 порядка большей чем

порог слышимости - 10-8

Вт/м2.

7

К субъективные характеристикам звука. относят громкость

звука, высоту (тона), тембр.

Громкость определяется в основном интенсивностью, но также зависит и от частоты - ввиду того, что ухо человека имеет различную чувствительность к звукам разной частоты. Громкость звука измеряется в фонах. Фон - это такая громкость звука, которая

соответствует интенсивности в децибелах, но только на частоте

1000 Гц. Чтобы определить громкость какого либо звука на другой частоте следует воспользоваться кривыми одинаковой громкости - график 1 на приведенном выше рисунке. Согласно графику звук частотой 300 Гц и интенсивностью 40 дБ создает ощущение громкости 30 фон. Звук частотой 200 Гц и интенсивностью 60 дБ также создает ощущение громкости 30 фон .Эти данные говорят о большей чувствительности уха на частоте 1000 Гц.

Высота звука связана с частотой - более высокочастотные колебания именуются как высокие, более низкочастотные считаются низкими.

Тембр звука связан с набором обертонов в спектре сложного колебания. По сути тембр вызван по-разному выраженной не синусоидальностью сложного колебания.

Кривой порога слышимости называют график зависимости (минимальной) интенсивности звука, способного создать слуховое ощущение от частоты звука. Этот график приведен на рисунке выше. Как и кривые одинаковой громкости, они имеют провал - минимум на частотах 1000 - 4000 Гц, что указывает на то, что наше ухо наиболее чувствительно именно к этим частотам.

Для снятия кривой порога слышимости используют звуковой генератор и динамик. Звуковой генератор вырабатывает переменное напряжение звуковой частоты. Это напряжение подается на динамик, излучающий звуковую волну. Генератором

(ручкой “Затухание”) можно уменьшать выходное напряжение на порядки. При затухании минус 30дБ уменьшается выходное напряжение в 1000 раз относительно, например 3-х вольт. На каждой частоте 100Гц, 200Гц, 400Гц и т.д. вы должны подобрать такие затухания, при которых звук стал бы чуть слышимым. Когда эти значения выходного напряжения в децибелах будут найдены, самое большое по модулю значение (например, -80дБ) следует принять за 0 дБ интенсивности звука, а остальные отрицательные значения – увеличить на 80 дБ !

8

Измерение коэффициента вязкости жидкости медицинским вискозиметром.

В курсе физики и медицинской физики Вами должно быть выполнено измерение вязкости жидкости несколькими способами. В данной работе следует прежде познакомится с понятием вязкости, как свойства жидкостей, так и величинами вязкости (η – вязкости динамической, ν – кинематической, η – относительной)

скорости – скорости центральных слоев больше чем

периферических. Ньютон объяснил это тем, что между слоями текущей жидкости возникают силы внутреннего трения. Более быстрый слой действует на более медленный слой с силой F12, в ту же сторону, что и скорость. Более медленный слой действует на более быстрый слой с силой F21, против скорости.

Эта сила внутреннего трения прямо пропорциональна площади

вязкости. Под величиной r следует понимать удаленность слоя от оси трубы. Градиент скорости равен разности скоростей двух слоев жидкости V, деленной на расстояние между этими слоями Δr. (Если на рисунке скорости V1 и V2 равны, например 6 см/с и 2 см/с, а толщины слоем 0,4 см, то ΔV/Δr = .. ?.. с-1).

Силы внутреннего трения возникают в результате хаотического теплового движения молекул. Перемещаясь из более быстрого слоя в более медленный слой молекула сталкивается с молекулой из более медленного слоя и отдает ей часть своего импульса (Р = mV) поступательного движения. Таким образом, вязкость жидкостей соответствует одному из явлений переноса - перенос импульса в направлении перпендикулярном скорости течения жидкости. Чтобы дать строгое понятие вязкости жидкости следует из формулы Ньютона выразить эту величины η[Па*с] = ……. и прочитать полученную формулу. Кинематическая вязкость – это отношение динамической вязкости к плотности жидкости: ν[м2/с] = η / ρ.

9

Медицинский вискозиметр - это два совершенно одинаковых капилляра - трубочки. В один капилляр набирается до нулевой отметки эталонная жидкость с известной вязкостью (для этого

краник открывают). Затем краник закрывают, и во второй капилляр набирают исследуемую жидкость (например, кровь) - также до нулевой отметки. После этого краник открывают и в горизонтальном расположении втягивают обе жидкости в тот и другой капилляр. В опыте обнаруживается, что одна жидкость

перемещается на большее расстояние (вода доходит до L н2о =

10–го деления), а исследуемая жидкость – на меньшее расстояние – (например до Lх = 3–го деления). Чтобы объяснить этот факт следует воспользоваться формулой Пуазейля для объема (V) протекающей по капиллярам жидкости.

Первоначально рассматривается условие установившегося (стационарного) течения жидкости. Сила, вызывающая движение жидкости уравновешивается силой внутреннего трения:

(P1 - P2)S торца = η( V/ r)S бок пов.

После подстановки геометрических формул и решения получившегося дифференциального уравнения получается формула для профиля скоростей:

V(r) = - (ΔP/4ηL) ( r 2 - Rсосуда 2)

Далее записывается формула для количества (объема) жидкости, протекающей через тонкое кольцо толщиной dr и радиусом r

Отметим, что для двух параллельно соединенных капилляров разности давлений (ΔР), под действием которых втягиваются жидкости - одинаковы, радиусы – R и времена - t - также одинаковы, поэтому работа вискозиметра основана лишь на зависимости объема V от вязкости η – эта зависимость – обратная.

Для случая приведенных значений – если объемы перемещенных жидкостей отличаются в 10/3 раза, то и вязкости также должны

отличаться в 10/3 раза. η х = η воды L н2о / Lх [Па*с].

10

Изучение действия УВЧ электрического и магнитного полей на модели биологических тканей – электролиты и диэлектрики.

При УВЧ-терапии на организм пациента воздействуют переменным электрическим полем. Фрагмент ткани помещается между пластинами массивного конденсатора. При индуктотермии на организм воздействуют переменным магнитным полем. Объект помещается при этом внутрь массивной катушки (Рис1).

Используемые частоты превосходят максимальную частоту 500 КГц, до которой еще может сказываться раздражающее действие тока (поля). Обычно используются частоты 25 - 300 МГц, в частности 40,68 МГц. Нагревание тканей происходит в результате сил трения при движении или ионов, или дипольных молекул ткани. Силы трения всегда препятствуют движению, работа этих сил – отрицательна, что и приводит к выделению тепла, дозированному повышению температуры, что ускоряет восстановительные процессы в организме.

Основой аппарата УВЧ терапии является генератор незатухающих колебаний. Он содержит: - колебательный контур (LC), - источник постоянного тока, - либо вакуумную трех электродную лампу (триод), либо транзистор, - катушку индуктивности, называемую катушкой обратной связи (Рис 2). Принцип работы

заключается в постоянном пополнении энергии колебаний от источника тока – энергии - теряющейся на нагревание проводов и катушки схемы. Для этого необходимо, чтобы цепь с источником тока и лампой была открыта в те моменты времени, когда ток в контуре будет направлен в ту же сторону, что и ток источника. Другими словами, когда ток по катушке контура течет вверх, лампатриод должна быть открыта. В другую половину периода, когда ток по катушке течет вниз, лампа должна быть закрыта. Таким образом,

11

роль лампы триода сводится к коммутатору электрической цепи. Чтобы лампа вовремя открывалась и закрывалась, служит катушка обратной связи. В ней индуцируется переменная ЭДС той же частоты, что и колебания в контуре. Подсоединив ее правильно между сеткой и катодом лампы, в генераторе возникнут незатухающие колебания. Однако, если ее подсоединить иначе колебаний не возникнут. Свойство лампы – триода, которое здесь используется, состоит в том, что при положительных напряжениях на сетке ток через лампу течет, а при отрицательных напряжениях

– практически не течет.

индуктивно связывают терапевтический контур (Рис 3). В этом контуре имеется опорный конденсатор и построечный конденсатор – переменной емкости (на рисунке - со стрелкой) - для настройки контура в резонанс с генератором. На передней панели генератора есть ручка для такой настройки и индикаторный прибор. К выходным клеммам (А,В)

подсоединяют либо специальный конденсатор с изолированными пластинами, либо катушку индуктивности

– Рис 1. В колебательном контуре период колебаний определяется

емкостью конденсатора (в Фарадах) и индуктивностью катушки

(в Генри): - формула Томсона.

Живые ткани по своей природе являются электролитами и диэлектриками. Какие именно ткани будут слабее или сильнее нагреваться в УВЧ электрическом и магнитном полях - это следует из формул, в целом соответствующих закону Джоуля-Ленца:

Однако так как основными факторами в методике УВЧ терапии являются электрическое и магнитное поля с характеристиками Е –

12

напряженность электрического поля и В – индукция магнитного поля , то данные формулы претерпевают некоторые изменения.

Во первых здесь используется понятие удельной теплоты (Q

– теплоты, выделяющейся за некоторое время в некотором объеме ткани Q УД. = Q / (V*t).

Для нагревания электролитов в УВЧ электрическом поле

Здесь коэффициент K = S2/L2 - определяется геометрическими размерами объекта, на который воздействуют УВЧ магнитным полем. Теплота выделяющейся в некотором объеме (V) за какое либо время (t) следует по формулой :

Q = QУД V t..

Температуру, на которую нагревается вещество можно найти по удельной теплоемкости и массе нагреваемого тела:

Q=Судm t(Град):

Выражая массу через плотность и объем, и сокращая на объем,

проницаемости ε.