§ 6.3. Физические основы звуковых методов исследования в клинике

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом главное его значение.

Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работаю­щих машин многое сообщают нам. Чтобы представить значение звука для человека, достаточно временно лишить себя возмож­ности воспринимать звук — закрыть уши.

Естественно, что звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний — аускультация (выслушивание) — известен еще со II в. до н. э. Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фо­нендоскоп (рис. 6.5) состоит из полой капсулы 1 с передающей звук мембраной 2, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки 3 к уху врача. В полой капсуле возникает резо­нанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация.

При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению то­нов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердеч­ной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать серд­цебиение плода.

Для одновременного выслушивания больного несколькими ис­следователями с учебной целью или при консилиуме используют систему, в которую входят микрофон, усилитель и громкоговори­тель или несколько телефонов.

Для диагностики состояния сердечной деятельности применя­ется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистра­ции тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиог рафа (рис. 6.6), состоящего из микро­фона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устрой­ства.

На рис. 6.7 показана нормаль­ная фонокардиограмма.

Принципиальные отличия от двух изложенных выше звуковых методов имеет перкуссия. В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивании их.

Представим замкнутую полость внутри какого-нибудь тела, за­полненную воздухом. Если вызвать в этом теле звуковые колеба­ния, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, выделяя и усиливая тон, соответствующий размеру и положению полости. Схематично тело человека можно предста­вить как совокупность газонаполненных (легкие), жидких (внут­ренние органы) и твердых (кость) объемов. При ударе по поверх­ности тела возникают колебания, частоты которых имеют широ­кий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными коле­баниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слыши­мы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет со­стояние и топографию внутренних органов.

§ 6.4. Волновое сопротивление. Отражение звуковых волн. Реверберация

Звуковое давление р зависит от скорости и колеблющихся час­тиц среды. Вычисления показывают, что

или (6.5)

где  — плотность среды, с — скорость звуковой волны в среде. Произведение с называют удельным акустическим импедан­сом, для плоской волны его называют также волновым сопро­тивлением.

Волновое сопротивление — важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на ее гра­нице.

Представим себе, что звуковая волна попадает на границу раз­дела двух сред. Часть волны отражается, а часть — преломляется. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны законам отражения и преломления света. Преломленная волна может поглотиться во второй среде, а может выйти из нее.

Допустим, что плоская волна падает нормально к границе раз­дела, интенсивность ее в первой среде I₁ интенсивность прелом­ленной (прошедшей) волны во второй среде I₂. Назовем

(6.6)

коэффициентом проникновения звуковой волны.

Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука опреде­ляется формулой

(6.7)

Из (6.6) видно, что наибольшее значение, которое может иметь , равно 1. Из (6.7) получаем, что  = 1, если c₁₁ = c₂₂. Итак, при ра­венстве волновых сопротивлений двух сред звуковая волна (при нормальном падении) пройдет границу раздела без отражения.

Если волновое сопротивление второй среды весьма велико по сравнению с волновым сопротивлением первой среды (c₂₂ >> c₁₁), то вместо (6.7) имеем

(6.8)

так как . Приведем волновые сопротивления некоторых веществ при 20⁰С (табл. 14).

Таблица 14

Материал	с, кг • м-2 • с-1	Материал	с, кг • м-2 • с-1
Железо Бетон Вода	40 000 000 4 800 000 1440 000	Резина Воздух Масло	60 000 430 1 350 000

Используем (6.8) для вычисления коэффициента проникнове­ния звуковой волны из воздуха в бетон и в воду:

Эти данные производят впечатление: оказывается, только очень малая часть энергии звуковой волны проходит из воздуха в бетон и в воду.

Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потол­ков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отра­жается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще имеются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного зату­хания звука в закрытых помещениях после выключения источни­ка называют реверберацией.

Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с дру­гой стороны, чрезмерно длительная реверберация может сущест­венно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концерт­ных залов и т. п. Например, время реверберации заполненного Колонного зала Дома союзов в Москве равно 1,70 с, заполненного Большого театра — 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.