kompendium_po_fizike

сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

Фонофорез – введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, в отличие от электрического поля, УЗ поле перемещает не только ионы, но и незаряженные частицы.

Аутогемотерапия – внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура оказывается более эффективной, если взятую кровь перед вливанием облучить УЗ.

Сваривание мягких тканей. Если сложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения образуется сварной шов.

Сваривание костей (ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), которые под действием УЗ быстро полимеризуются, образуя прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.

Стерилизация. Губительное действие УЗ на микроорганизмы используется для стерилизации.

УЗ можно рассекать ткань, для чего хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) соединяют с источником ультразвуковых колебаний. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20-50 кГц составляет 10-50 мкм. Преимущества этого метода: снижение усилия резания, уменьшение болевого ощущения, кровоостанавливающий и стерилизующий эффекты. УЗ скальпели позволяют проводить операции без вскрытия грудной клетки в дыхательных органах, пищеводе, на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ скальпель в вену, можно разрушить холестериновые утолщения в этих сосудах.

Существуют разные методы, в которых УЗ используется в диагностических целях.

Эхоэнцефалография – определение опухолей и отека головного мозга.

Ультразвуковая кардиография – измерение размеров сердца в

21

динамике.

Эходоплерография – измерение скорости движения кровотока, клапанов сердца.

Ультразвуковая локация – определение размеров глазных сред, применение УЗ для ориентации слепых в пространстве.

Отражение УЗ волн (эхо-метод) на границе раздела различных сред используется в УЗ диагностике. Этим методом можно обследовать состояние внутренних органов. Направляемые на тело исследуемого больного ультразвуковые импульсы отражаются от поверхностей раздела, например, передней и задней границ расположенной неоднородности, – «эхо» звука на экране прибора сравнивается с посланным импульсом, что дает возможность не только обнаружить эту неоднородность, но и определить ее размеры. Обнаруживаются внутренние дефекты, отражающие 3-5% падающей звуковой энергии.

С помощью ультразвука можно регистрировать изменение объема сердца, размеры полости желудочка, амплитуду сокращений и толщину сердечной мышцы.

5. Эффект Доплера и его применение для неинвазивного измерения скорости кровотока

Эффект Доплера заключается в том, что воспринимаемая приемником частота ν отличается от излучаемой источником частоты ν0 вследствие движения источника и приемника волн.

В случае, когда источник и приемник неподвижны, частота волны, регистрируемой приемником, совпадает с частотой волны, испускаемой источником (ν=ν0).

При взаимном сближении источника и приемника частота волны, регистрируемой приемником, оказывается больше частоты испускаемой источником волны (ν>ν0). Это обусловлено тем, что приемник регистрирует большее число волн в единицу времени. При взаимном удалении источника и приемника все происходит наоборот.

22

Частота волны, воспринимаемая приемником:

где V – скорость распространения волны в среде, Vпр и Vист – скорости движения источника и приемника, νист – частоты волны, испускаемой источником.

Эффект Доплера используется для определения скорости движения крови. Для этого нужно направить пучок ультразвуковых волн на кровеносный сосуд. Некоторый движущийся объем крови будет отражать ультразвуковые волны в разных направлениях, в том числе и в направлении приемника. Т.е. этот объем крови становится вторичным источником ультразвука, частота принимаемой волны будет отличаться от частоты испускаемой. Если определить доплеровский сдвиг частоты, можно будет вычислить линейную скорость крови, а также направление.

6. Инфразвук и его воздействие на человека

Инфразвук – это механические колебания и волны с частотой менее 16 Гц. На человека инфразвук оказывает, как правило, отрицательное действие: вызывает угнетающее настроение, усталость, головную боль, раздражение. При небольших интенсивностях возникает расстройство органов зрения, общая слабость. При средней интенсивности (140-155 дБ) могут проявляться обмороки, временная потеря зрения. При больших интенсивностях (порядка 180 дБ) может наступить паралич со смертельным исходом. Это связано с тем, что в инфразвуковой области лежат частоты собственных колебаний некоторых органов и частей тела человека (частота собственных колебаний грудной клетки 5-8 Гц, брюшной полости 3-4 Гц, сердца 6-7 Гц). Это вызывает нежелательные резонансные явления.

23

АКУСТИКА

1. Акустика. Физические характеристики звука

В широком смысле акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны. В узком смысле под акустикой понимают учение о звуке – упругих колебаниях и волнах (в средах), воспринимаемых человеческим ухом, т.е. имеющих частоты от 20 Гц до 20 кГц.

К физическим (объективным) характеристикам звука относятся:

1.Частота – количество колебаний за единицу времени в звуковой волне.

2.Интенсивность – количество энергии, переносимой звуковой волной через единичную площадь тела за единицу времени. Так как человеческое ухо воспринимает звук в очень

широком диапазоне интенсивностей: (на частоте в 1 кГц) от Imin 10 12 Вт/м2 до I max 10 Вт/м2, то удобнее для описания

(децибелах)

3. Звуковое давление – дополнительное давление, создаваемое звуковой волной, падающей на тело. Минимальное значение звукового давления, воспринимаемое ухом (порог

Звуковое давление связано с интенсивностью соотношением: p2 I (2 c)2 , где – плотность среды, c – скорость звука в

среде.

4. Спектр (если колебание не описывается гармонической функцией) – зависимость интенсивности колебаний в звуковой волне от частоты.

24

Все звуки подразделяются на:

Тон – звук, являющийся периодическим процессом. Тон, в свою очередь, делится на:

Простой (чистый) тон – колебание в таких звуковых волнах описывается гармоническими функциями. Характеризуется частотой тона и его интенсивностью.

Сложный тон – колебание в такой звуковой волне описывается ангармоническими функциями. Однако, согласно теореме Фурье, любой сложный тон может быть разложен в гармонический спектр, т.е. может быть представлен суммой простых тонов. Минимальная частота в спектре сложного тона называется основной; частоты, кратные основной – дополнительными. Гармоническое колебание, соответствующее основной частоте, называется основным тоном; гармонические колебания, соответствующие дополнительным гармоникам, – обертонами. Характеризуется сложный тон акустическим спектром – зависимостью интенсивностей гармоник от их частот. Для сложного тона спектр является линейчатым.

Шум – звук, не имеющий повторяющейся временной зависимости. Характеризуется сплошным широким спектром, часто неустойчивым во времени.

Звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие.

2. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Закон Вебера– Фехнера. Уровни интенсивности, уровни громкости звука и единицы их измерения

Из-за особенностей строения аппарата слуха и специфических механизмов звукового восприятия человек воспринимает звук иначе, чем он есть на самом деле. Выделяют следующие субъективные характеристики слухового восприятия:

Высота – характеристика, обусловленная, в первую очередь, частотой звука: чем больше частота звука, тем он выше при восприятии. Кроме того, звуки большой интенсивности воспринимаются как более низкие.

25

Тембр – характеристика, обусловленная в первую очередь спектральным составом звука.

Громкость – характеристика уровня слухового ощущения. Уровни громкости определяются законом Вебера-Фехнера: если

увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковое число единиц). Математически закон Вебера–Фехнера описывается уравнением

Рисунок 10. Кривые равной громкости E k lg I / Imin . Если бы k в

этом уравнении был бы постоянным, уровни громкости соответствовали бы уровням интенсивности, выраженным в логарифмической шкале. Однако k зависит как от интенсивности, так и от частоты звука, т.е. k k(I, ) , поэтому звуки разных интенсивностей и разных

частот слышатся неодинаково. Усреднённые для большой выборки кривые, показывающие, как звук одной и той же интенсивности слышится на разных частотах, называются кривыми равной громкости (рисунок 10). Условно считается, что на частоте 1 кГц уровни громкости и уровни интенсивности совпадают. Для того чтобы отличать уровни громкости от уровней интенсивности, уровни громкости определяются не в [дБ], а в [фон] (фонах). Минимальная интенсивность звука, которая вызывает слуховое ощущение на данной частоте, называется порогом слышимости (нижняя кривая на приведённом рисунке).

3. Аудиометрия и фонокардиография

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией. При этом методе определяют порог слухового ощущения на разных частотах; полученная графическая зависимость

26

называется аудиограммой. Сравнивая аудиограмму пациента с аудиограммой здорового человека, можно определять наличие патологий органов слуха.

Метод графической регистрации тонов и шумов сердца и их последующей интерпретации называется фонокардиографией. В ФКГ здоровых взрослых выделяют первый и второй тоны сердца, у детей – иногда еще 2 дополнительных (3-й и 4-й). Особенно важен данный метод при выявлении пороков сердца.

4. Поглощение и отражение звуковых волн, акустический импеданс. Реверберация

На границе раздела сред звуковая волна претерпевает отражение и преломление. При этом справедливы те же законы, что и в геометрической оптике.

Пусть на границу раздела сред 1 и 2 падает нормально из среды 1 звуковая волна интенсивностью I1 . Тогда величина

I2 / I1 , равная отношению интенсивности I2 звуковой волны, прошедшей во вторую среду, к интенсивности I1 , называется

коэффициентом проникновения звуковой волны. Величина r 1 называется коэффициентом отражения звуковой волны.

Величину z c , равную произведению плотности среды

на скорость звука в среде c , называют удельным акустическим импедансом или волновым сопротивлением.

Коэффициент проникновения звуковой волны может быть вычислен по формуле:

сопротивления первой среды к волновому сопротивлению второй. Из этой формулы видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем меньше коэффициент проникновения звуковой волны из первой среды во вторую.

Проходя в некотором веществе путь длиной x , звуковая волна теряет свою энергию при процессах поглощения и

рассеяния, что описывается формулой Бугера: I I0e kx , где k –

натуральный показатель ослабления волны, I0 – интенсивность

27

звуковой волны, падающей на вещество, I – интенсивность звуковой волны после прохождения пути x в веществе.

Процесс затухания звука в закрытых помещениях, наблюдаемый после выключения источника звука, связанный с многократным отражением звука от поверхностей, называется

реверберацией.

28

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕМОДИНАМИКИ И БИОРЕОЛОГИИ

1. Основные понятия гидродинамики. Условие неразрывности струи. Уравнение Бернулли

Гидродинамика – раздел физики, изучающий вопросы движения несжимаемых жидкостей и взаимодействие их при этом с окружающими твердыми телами.

Течение жидкости изображается линиями тока – линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора скорости частиц. Часть потока жидкости, ограниченная линиями тока, образует трубку тока.

Идеальная жидкость – это жидкость несжимаемая и не имеющая вязкости.

Стационарным (установившимся) называют такое течение, при котором скорости частиц в каждой точке потока со временем не изменяются.

Для стационарного течения выполняется условие неразрывности струи – произведение скорости на поперечное сечение трубки тока идеальной жидкости при установившемся течении есть величина постоянная:

V S1v1 S2v2 Snvn const

Таким образом, объем жидкости ∆V, протекающий через любое поперечное сечение S трубки за единицу времени, не меняется. Нетрудно заметить, что скорость течения жидкости обратно пропорциональна площади сечения: v1/v2=S2/S1 (рисунок

11).

Рисунок 11. Изменение линейной скорости при изменении площади поперечного сечения

29

Рассмотрим в произвольной трубке (рисунок 12) два сечения (S1 и S2), находящиеся на разных высотах (h1 и h2).

Рисунок 12. К уравнению Бернулли

Вследствие уравнения неразрывности, разными будут и скорости течения жидкости (v1 и v2). Для этих сечений выполняется следующее соотношение:

где P – статическое давление, ρv2/2 – динамическое давление, обусловленное движением жидкости, ρgh – гидростатическое давление.

Уравнение Бернулли: при стационарном течении идеальной жидкости полное давление, равное сумме статического, динамического и гидростатического давлений, одинаково во всех поперечных сечениях трубки тока:

2. Вязкость жидкости. Уравнение Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Течение вязкой жидкости. Формула Пуазейля. Гидравлическое сопротивление

В реальной жидкости вследствие взаимного притяжения и теплового движения молекул имеет место внутреннее трение, или вязкость. Наличие сил внутреннего трения приводит к тому, что разные слои жидкости движутся с разными скоростями (рисунок 13). Сила трения действует касательно к поверхности

30