Звук и его восприятие. Применение ультразвука в медицине, ветеринарии и биотехнологии

Звуковыми (акустическими) волнами называются волны в упругой среде, воспринимаемые слуховым органом человека и животных.

Скорость распространения звуковых волн зависит от свойств среды (в газах 0,2-1,2 км/с, в жидкостях 1,2-2 км/с, в твердых телах 2-5 км/с).

Человек может воспринимать волны в диапазоне 20-20000 Гц.

Для того, чтобы звуковая волна была воспринята, необходимо, чтобы она обладала достаточной интенсивностью, превышающей, так называемый порог слышимости. Звук, который ниже порога слышимости не воспринимается (рис. 15).

Звук слишком большой интенсивности вызывает болевые ощущения. Максимальное значение интенсивности, превышение которого вызывает болевые ощущения, называется болевым порогом.

Значения порогов различны для частот.

Ухо наиболее чувствительно к частотам 1-3 кГц, для которых порог слышимости 10^-12 Вт/м², а болевой порог составляет 10²⁶ Вт/м².

Субъективное восприятие характеризуется высотой, тембром и уровнем громкости.

Уровень громкости определяется формулой

Рис.15

, (42)

где I₀ = 10^-12 Вт/м² и измеряется в децибелах (дБ).

Минимальный уровень громкости, воспринимаемый ухом равен 1 дБ. Шепоту соответствует уровень 10 дБ, речи – 60 дБ, шуму самолетного мотора – 120 дБ.

Ультразвук широко применяется для диагностики и в физиотерапии, а также химиотератии и биотехнологии.

Для ультразвуковой локации живых организмов применяется метод УЗИ (ультразвуковое исследование). Определяется форма поверхности того или иного органа, ее нарушения (увеличение или уменьшение), а также аномалии по плотности порядка 0,1% (при рентгеновском излучении не менее 10%). С помощью отраженного ультразвука определяется расстояние до объекта исследования, а также жизнеспособность движущихся клеток, например, сперматозоидов в суспензии при искусственном оплодотворении.

В физиотерапии действие ультразвука эффективно при радикулитах, остеохондрозах, отложениях солей и т.п. при частотах до 1МГц и интенсивностях 0,2-0,6 Вт/см². Применение ультразвука для животных осложняется в необходимости освобождения кожи от шерстяного покрова. В настоящее время широко используются импульсно-модулированные ультразвуковые колебания, которые при низких интенсивностях оказывают терапевтическое или стимулирующее действие.

Применение ультразвука в хирургии связано с вибрирующими скальпелями, позволяющими плавно разрезать ткани, а также фокусированием сигналов от нескольких источников в пораженную область с целью реализации разрушительного или стерилизующего действия.

В химиотерапии и биотехнологии применяется эффект резкого увеличения пассивной проницаемости клеточных мембран под действием ультразвука. При этом достигается как экономия лекарств, так и уменьшение нежелательных побочных эффектов от высоких концентраций лекарств.

Развитые органы ультразвука у дельфинов и летучих мышей хорошо известны.

Волны, частота которых больше 20 кГц являются ультразвуковыми. Человеческое ухо их не воспринимает. Однако у дельфинов и летучих мышей диапазон от 30 до 100 кГц является основным.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется моментом инерции материальной точки и моментом инерции тела?

2. Сформулируйте и запишите основной закон динамики вращательного движения.

3. Какие характеристики вращательного движения аналогичны массе и силе?

4. Какие величины характеризуют гармоническое колебание?

5. Чему равно отношение ускорения к смещению материальной точки при гармоническом колебании?

6. Что называется математическим и физическим маятником?

7. Каким образом вычисляются периоды колебаний маятников?

8. Какие колебания называются затухающими и вынужденными?

9. Что называется амплитудой колебаний?

10.Что называется волной и какими параметрами она характеризуется?

11.Что называется длиной волны? Что называется разностью хода волн?