7. Звуковые волны

Звук – это механическая волна, частота которой лежит в пределах , – инфразвук, – ультразвук.

Различают музыкальные тоны (это монохроматическая волна с одной частотой или состоящая из простых волн с дискретным набором частот – сложный тон).

Шум – это механическая волна с непрерывным спектром и хаотически изменяющимися амплитудами и частотами.

Характеристики звука

Энергетической характеристикой звука является интенсивность.

На практике для оценки звука удобнее использовать звуковое давление.

Звуковое давление () – это избыток давления в звуковой волне над атмосферным.

, ,

где – скорость звука, – интенсивность звуковой волны.

Характеристики слухового ощущения

Высота тона – зависит от частоты, чем выше частота, тем выше звук (определяется минимальной частотой акустического спектра, рис. 14).

Т

Рис. 14. Акустический спектр

ембр –"окраска" звука, зависит от состава акустического спектра (совокупность простых волн, образующих сложные).

Громкость – субъективная характеристика звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

–коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности;

–интенсивность исследуемого звука;

–порог слышимости; – порог болевых ощущений.

Для , , .

Единицей измерения громкости, является Белл – это громкость звука, которая при имеет , при этом .

. 1 Децибел (дБ) или 1 фон = 0,1 Б.

Зависимость громкости от частоты учитывают с помощью кривых равных громкостей, получаемых экспериментально, и используется для оценки дефектов слуха. Метод измерения остроты слуха называется аудиометрия. Прибор для измерения громкости называется шумомер. Норма громкости звука должна составлять 40 – 60 дБ.

8. Ультразвук

Ультразвук – это механическая волна с частотой . Верхним пределом ультразвуковой частоты можно считать 10 ⁹ – 10 ¹⁰ Гц.

В 1880 г. П. Кюри открыл пьезоэффект.

Для получения ультразвука используют ультразвуковые излучатели, основанные на обратном пьезоэлектрическом эффекте: к электродам прикладывается переменное электрическое поле и пластинка кварца (сегнетовой соли, титаната бария) начинает вибрировать, излучая механическую волну определенной частоты.

Приемник ультразвука использует прямой пьезоэффект: возникновение разности потенциалов на гранях пьезокристалла при его деформации.

Свойства ультразвука используемые в медицине

Первичным механизмом ультразвуковой терапии является механическое и тепловое действие на ткань.

1. Высокая частота соответствует большой интенсивности ультразвука:

, пропорционально ();

, тогда пропорционально .

Свойства большой интенсивности используются для разрушения биомакромолекул, клеток и микроорганизмов, применяется в урологии для разрушения камней и др.

2. Соотношение длины волны и линейных размеров препятствия  определяет поведение ультразвука.

если то .

а) Если соизмерим с , то наблюдается явление дифракции.

Дифракция – это огибание волной препятствия.

б) Если , то наблюдается ультразвуковая тень, а также отражение и поглощение ультразвуковой волны (УЗ – эхолокация).

в) Поглощение. При переходе из одной среды в другую интенсивность ультразвука изменяется по формуле: ;

где волновое сопротивление.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше воздуха. Поэтому, если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то ультразвук не проникает и будет отражаться. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излучателей покрывают слоем масла.

Эти свойства используются в ультразвуковой диагностике, применяя диапазон частот от 1 до 20 МГц и , которая не вызывает никаких патологических изменений в биологических тканях.

3. Явление кавитации – это сжатие и разряжение частиц среды, приводящие к образованию разрывов сплошной среды (при). При кавитации выделяется энергия, происходит нагревание веществ, а также ионизация и диссоциация молекул.

Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук

, .

Проходя через биоткань интенсивность ультразвука уменьшается по закону:

d –толщина биоткани; – монохроматический коэффициент поглощения (для разных длин волн – разный).

Эффект воздействия ультразвука на клетку:

микромассаж на клеточном и субклеточном уровне;

изменение проницаемости мембран клетки (перестройка и повреждение);

улучшение обменных процессов (рассасываются инфильтраты);

разрушение клеток и микроорганизмов;

тепловое действие.

Эффект воздействия ультразвука на вещество:

перемешивание слоев жидкости и газообразной среды, обусловленное явлением кавитации, приводит к выделению тепла;

прохождение ультразвука через вещество может сопровождаться люминесценцией (свечение вещества);

фонофорез – введение лекарственных веществ под воздействием ультразвука вследствие изменения проницаемости мембран.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении бронхиальной астмы, катаракты верхних дыхательных путей применяются аэрозоли различных лекарственных веществ, полученных с помощью ультразвука.