- •Лекция 4
- •Акустика
- •6.1. Природа звука и его физические характеристики
- •§ 6.2. Характеристики слухового ощущения. Понятие об аудиометрии.
- •§ 6.3. Физические основы звуковых методов исследования в клинике
- •§ 6.4. Волновое сопротивление. Отражение звуковых волн. Реверберация
- •§ 6.5. Физика слуха
- •6.6. Ультразвук и его применения в медицине
- •6.7. Инфразвук
- •6.8. Вибрации
§ 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 установитьналичие 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 фонокардиографа (рис. 6.6), состоящего из микрофона, усилителя, системы частотныхфильтров и регистрирующего устройства.
На рис. 6.7 показана нормальная фонокардиограмма.
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 средеI2. 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 c11 = c22. 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 (c22 >> c11), 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 послетого, 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 обычноуказывают 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, заполненногоБольшого театра — 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.