Практикум по физике Часть Биоакустика. Вводное занятие
 Скачать 1.01 Mb.
|
|
Ультразвуковые ингаляторы – простые и компактные устройства, в которых ультразвук создает из лечебного раствора тонкодисперсный туман, вдыхаемый при ингаляции. Фонофорез (сонофорез, ультрафонофорез) — это терапевтический метод воздействия на организм, в котором так же сочетаются эффекты механического и теплового действия ультразвука. Он применяется для введения в ткани организма лечебных или косметических препаратов. Вводимый препарат смешивается с контактным гелем для ввода ультразвука в ткани организма. Ультразвуковой излучатель может работать в постоянном режиме (интенсивность порядка 0,5 - 2 Вт/см2), либо в импульсном (0,1 - 3 Вт/см2). При импульсном режиме тепловой эффект воздействия меньше, и это важно для предотвращения перегрева тканей. Фонофорез аналогичен электрофорезу. При электрофорезе лекарственный препарат, имеющий вследствие диссоциации ионную структуру, внедряется в ткани организма под действием электрического поля. При фонофорезе ультразвук внедряет в ткани хоть ионы, хоть нейтральные частицы. Кавитация – явление возникновения пустот в виде пузырьков, заполненных газом или насыщенным паром, в жидкости, имеющей пониженное давление. В зонах разрежения в жидкости возникают зоны пониженного давления, провоцирующие появление в жидкостях деформации растяжения. А на растяжение жидкости работать не умеют: недостаточно велики силы межмолекулярных взаимодействий. Поэтому в зонах пониженного давления жидкость может разорваться, и в ней могут образовываться микрополости, заполненные насыщенным паром. Возникает явление кавитации. Cavity (лат.) – пустота. Размеры кавитационных пузырьков невелики: доли миллиметра. Кавитационные пузырьки, возникнув в зоне пониженного давления, оказываются, спустя полпериода, в зоне повышенного давления, и происходит их схлопывание – сокращение до нулевых размеров. Заполняющий их насыщенный пар опять становится жидкостью. При этом происходит сближение его диаметрально противоположных поверхностей с очень большой, и все возрастающей скоростью, и гидравлический удар – резкий всплеск давления, который способен разрушать не только клетки или микроорганизмы, но и металлы. Есть даже способ контроля интенсивности кавитации по количеству дырочек, возникающих в металлической фольге за одно погружение в жидкость. В зонах возникновения кавитации существенно возрастает коэффициент поглощения УЗ-излучения, интенсивно идут процессы перемешивания и перехода энергии механических колебаний в тепловую. Кавитационный режим действия ультразвука на ткани организма – в основе эффективной методики безоперационной ультразвуковой липосакции. В этой методике разрушение жировых тканей производится низкочастотным ультразвуком (20 – 100 кГц). В фармацевтических производствах кавитационное дробление и перемешивание разнородных препаратов применяется для получения лечебных эмульсий, которые другими способами не изготовить. Ультразвуковые скальпели в хирургии. Наложение УЗ-колебаний на хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает стерилизующее и кровоостанавливающее действие. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20 -50 кГц составляет 20-50 мкм. Подобные скальпели позволяют проводить операции в дыхательных органах без вскрытия грудной клетки, операции в пищеводе и на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ-скальпель в вену, можно разрушить в ней холестериновые утолщения. В другой разновидности УЗ-скальпелей ультразвук накладывается непосредственно на разрезаемые ткани, Происходит кавитационная деструкция тканей под действием ультразвука высокой интенсивности, достигаемой его фокусировкой на зоне разреза. Аналогия: в лазерном скальпеле луч тоже фокусируется на зоне разреза. В урологии механическое действие ультразвука используется для дробления камней в мочевых путях; тем самым и в этих обстоятельствах отпадает необходимость в операции. При сложных переломах может применяться ультразвуковой остеосинтез. Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), который под действием ультразвука быстро полимеризуется (химическое действие ультразвука). После УЗ-облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью. БИОАКУСТИКА. ИНФРАЗВУК. Инфразвук - это звуковые волны, частота которых ниже области слышимых человеком частот (от латинского infra – ниже, под). Верхняя частотная граница инфразвука - 16 Гц, нижняя - точно не установлена. В настоящее время исследуются инфразвуковые колебания с частотой до тысячных долей одного герца. Если частота колебаний ν=0.001 Гц, то их период: Т = 1000 с= 16,7 мин. Утверждение о том, что 16 Гц – частотная граница между звуком и инфразвуком, - достаточно условное: установлено, что при высокой интенсивности инфразвука слуховое ощущение возникает и на частотах в несколько герц. Правда, эти ощущения необычны: вместо ощущения тона – лишь способность различать отдельные циклы. Не исключено, что на инфразвук мы реагируем и «в обход» органов слуха: неосознанно используем такие протяженные элементы, как позвоночник и диафрагма. Инфразвуковые волны распространяются в земной коре, в воздушной и в водной среде. Интенсивность инфразвука можно измерять в Вт/м2 и в единицах децибельной шкалы. 1. Природные источники инфразвука «Голос моря» - инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре в результате возникновения вихрей за гребнями волн. Грозовые разряды. Акустический спектр грома содержит не только громкие звуки слышимого диапазона, но и инфразвук высокой интенсивности. Резкие изменения атмосферного давления, обусловленные циклоническими процессами. Землетрясения. Извержения вулканов. 2. Техногенные источники инфразвука. - Вентиляционные шахты метрополитена. - Ветряные электростанции. - Все виды транспорта (автомобильный, железнодорожный, метро, трамваи, самолеты). - Взрывы, обвалы, выстрелы. - Раскачивание точечных зданий под действием ветровой нагрузки. 3. Особые свойства инфразвуковых волн Во-первых, для инфразвука характерна большая длина волны, и это-прямое следствие его малой частоты. Напоминаем: длина волны – это расстояние λ, на которое смещается фронт волны за время, равное периоду колебаний Т: λ =VТ, где V - скорость звука. Насколько велики отличия значений длины волны в воде (скорость звука - около 1500 м/с) на частотах инфразвука, звука и ультразвука, можно оценить с помощью таблицы 4. Таблица 4. Длина звуковой волны в воде как функция частоты.
Явление дисперсии - огибание препятствий - характерно для волн любой физической природы. Его проявления таковы: если размеры препятствия меньше, чем длина волны, то волна его «не замечает», волна на нем не рассеивается и тем более не отражается, луч остается прямолинейным. Из таблицы 4 (см. столбец 4) следует, что высокочастотный ультразвук может обеспечить при УЗИ обнаружение неоднородностей размерами менее одного миллиметра. А для инфразвуковой волны далеко не любое здание, и даже не любой холм могут оказаться заметной неоднородностью. Во-вторых, для инфразвука характерно очень слабое поглощение в любых средах; как следствие этого - способность распространяться без больших потерь на гигантские расстояния. 4. Влияние инфразвука на организм человека. Биологическое действие инфразвука изучено недостаточно, но репутация у него скверная. Установлено, что инфразвук может быть весьма опасен. Наиболее опасным признан частотный диапазон 6 - 8 Гц. В этом диапазоне находятся собственные частоты механических колебаний большинства внутренних органов. Разумеется, при этом уровень опасности сильно зависит от интенсивности инфразвука. С уровнями интенсивности инфразвука некоторых технических устройств можно ознакомиться с помощью таблицы 5. Таблица 5. Характеристики некоторых инфразвуковых волн.
Наблюдавшиеся проявления действия инфразвука: головные боли, снижение внимания, раздражительность. Возможны нарушения функции вестибулярного аппарата. Возможны приступы морской болезни. Наблюдались нарушения ритмов сердечных сокращений и дыхания. Известны случаи нарушений зрения и слуха. При средней интенсивности 140 - 155 Дб могут наступать обмороки, временная потеря зрения, а при интенсивности порядка 180 Дб может наступить паралич со смертельным исходом. Согласно действующим санитарным нормам, допустимый уровень интенсивности инфразвука на рабочем месте при работах различной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности - не более 95 Дб. Памятуя о существовании явления резонанса, укажем некоторые частоты собственных колебаний человека: тело человека в положении лежа - 3-4 Гц; грудная клетка - 5-8 Гц; брюшная полость - 3-4 Гц; глаза - 12-27 Гц. Настораживающим является и тот факт, что ритмы, характерные для многих систем организма, тоже лежат в инфразвуковом диапазоне: частота сердечных сокращений:1-2 Гц; дельта- ритм мозга (сон): 0.5 - 3.5 Гц; альфа-ритм мозга (состояние покоя): 8 - 13 Гц; бета-ритм (умственная работа); 14-35 Гц. В истории развития науки и техники ряда стран есть мрачные страницы, связанные с разработкой инфразвукового (психотронного) оружия. Оно потенциально предназначалось для дистанционного медико-биологического и психофизического воздействия на войска и население противника. Но могло бы пригодиться и силам полиции для «работы» с собственным населением, как замена водометов, слезоточивых газов и т. п. Пока что международные конвенции приостановили прогресс в этих направлениях. 5. Медицинское применение инфразвука. Сложность применения инфразвука в медицине обусловлена его большой потенциальной опасностью для живого организма на данном уровне изученности проблемы. Предстоят сотни исследований и долгие годы работы, чтобы найти подходящие параметры инфразвукового воздействия на ткани и органы. Примеры разработок в области медицинского применения инфразвука: - в офтальмологии разработан метод лечения близорукости; инфразвуковой фонофорез нашел применение при лечении роговицы. - разработаны физиотерапевтические аппараты для лечения инфразвуком. - в онкологии исследуются возможности инфразвуковых методов борьбы с раком. Но это пока что - отдельные находки, известные в узких кругах. 6. Инфразвук в экологии. Средняя температура воды мирового океана - один из важнейших индикаторов состояния климата на нашей планете. Проблема точного измерения этого параметра резко упростилась благодаря применению инфразвуковых методов исследования. Вот как удалось решить эту проблему. Корабль А расположен вблизи американского побережья Атлантического океана. Корабль оснащен погруженным в воду генератором инфразвука. Корабль Б расположен вблизи противоположного, африканского побережья того же Атлантического океана. Корабль оснащен погруженным в воду детектором инфразвука. Импульсу инфразвукового излучения пройти водную дистанцию порядка тысячи километров - дело пустяковое: он пройдет ее, почти не уменьшив свою интенсивность. И он не уйдет из воды в воздух. Но его скорость распространения в воде является некоторой функцией температуры воды. Поделив расстояние АБ на длительность прохождения инфразвукового импульса от А до Б, мы получаем среднюю скорость инфразвука в воде, и через упомянутую температурную функцию - среднюю температуру воды, с осреднением не только вдоль трассы АБ, но и по глубине. Заметим так же, что при землетрясениях, при ядерных испытаниях, при крупных взрывах, извержениях вулканов - во всех этих и им подобных обстоятельствах инфразвуковые методы позволяют локализовать источники и определить их мощность. Контрольные вопросы к разделу «Биоакустика. Инфразвук». 1 Пьезоэлектрики, Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. 2. Пьезоэлектрические излучатели и приемники ультразвука в медицинской технике 3. Пьезоэлектрический эффект в процессах ремоделирования костных тканей. 4. Эхолокация в ультразвуковой диагностике (УЗИ). Одномерные и двухмерные диагностические приборы. 5. Волновое сопротивление. Коэффициенты отражения и пропускания ультразвука. 6. Ослабление звука и ультразвука. Закон Бугера-Ламберта. Глубина полупоглощения. 7. Эффект Допплера. Его применение для измерения скорости кровотока. 8. Механическое и тепловое действие ультразвука: микромассаж, ультразвуковая гипертермия. Фонофорез. 9. Кавитация, ее применение в медицине. 10. Применение ультразвука в хирургии и урологии. Ультразвуковой скальпель. Ультразвуковой остеосинтез. 11. Инфразвук. Природные и техногенные источники инфразвука. 12. Особые свойства инфразвука, в сравнении со звуком и ультразвуком. 13. Влияние инфразвука на организм человека. Предельно допустимые уровни интенсивности. |