Сделай Сам Свою Работу на 5

Биоакустика. Физические основы акустики





Акустикой (греч. акустикос – слуховой) называют область физики, исследующую упругие колебания и волны, методы получения и регистрации этих волн, их взаимодействие с веществом и биологическими объектами, а также их разнообразные применения.

Звук в широком смысле слова представляет собой упругие волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах с частотами от 0 до 1013 Гц. В узком смысле слова под звуком понимают явление субъективного восприятия этих волн человеком или животными. Считается, что область слышимости человека находится в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, однако границы этого диапазона условны.Чем больше частота, тем более высоким по тону воспринимается звук.Акустические волны в твердых телах могут быть поперечными (^) и продольными (||), а в жидкостях и газах, в которых отсутствуют деформации сдвига, возможны только продольные волны, представляющие собой чередующиеся области сгущений и разрежений.

Скорости звука в твердых телах (с^ и с|| ) и в идеальном газе (сг) можно вычислить по формулам С=√((E(1-σ)/(ρ(1+σ)(1-2σ))); C=√(G/ρ); Cr=√(γRT)/μ) (2.1)



где Е –модуль Юнга; G – модуль сдвига; s – коэффициент Пуассона; r– плотность среды; Т –абсолютная температура; m - молярная масса; R – универсальная газовая постоянная и g = CP/CV – отношение теплоемкости вещества при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. При малых значениях c|| @c^Ö2 .

Область вещества, в которой распространяется звуковая волна, называют акустическим полем, которое характеризуют интенсивностью звуковой волны и акустическим давлением.

Интенсивностью волны I называют величину, численно равную средней по времени энергии Е, переносимой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны: I=E/(St), где S – площадь поверхности, через которую проходит волна; t – время ее прохождения через эту поверхность. Единица измерения интенсивности волны: Дж/(м2·с) = Вт/м2.

Звуковым, или акустическим, давлением называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды, например над атмосферным давлением), образующееся в участках сгущения частиц в акустической волне ра = Аwrс. Произведение Аw есть величина амплитуды колебательной скорости частиц вещества в волне, а величина рс называется удельным волновым, или акустическим, сопротивлением среды и характеризует рассеяние энергии волны в акустическом поле.



При распространении волны в веществе ее энергия расходуется на приведение частиц вещества в колебательное движение, и поэтому энергия волны с расстоянием уменьшается, волна «затухает». При затухании звука, обусловленном рассеянием и поглощением, интенсивность звука уменьшается по экспоненциальному закону I = I0 e6l, где I0 и I – соответственно интенсивности звука на поверхности вещества и на расстоянии l от поверхности; d – коэффициент затухания, который в однородной среде равен d=(16π^(2)η)/(3cρλ^(2)), где l – длина волны звука; с – ее скорость в веществе; h – коэффициент вязкости и r – плотность вещества. затухание звука обусловлено тремя причинами: поглощением, рассеянием на неоднородностях среды и увеличением поверхности волнового фронта с расстоянием.

Источники и приёмники звукаИсточником звука может быть любое колеблющееся тело, помещенное в упругую среду, в которой колебания- создают акустическую волну, некоторые источники:

Камертон. Это U-образный стержень прямоугольного сечения. При ударе по одной из ножек стержня в нем возбуждается стоячая волна, пучности которой находятся на концах ножек камертона, а узел – в месте его изгиба. Камертоны применяют в качестве эталонов звуков чистых тонов. Расстояние между узлом и пучностью в стоячей волне равно λ/4.



Струны. Твердые тела, поперечные размеры которых во много раз меньше их длины. Если струну закрепить с обоих концов и приложить к ней кратковременную силу в направлении, перпендикулярном ее длине, то в струне возникает волна, которая, дойдя (до концов струны, отражается, в результате чего, образуется стоячая волна с узлами в местах закрепления. Длина волны соответствующих колебаний связана с длиной струны l следующим соотношением l=(λ/2)n (n=1,2,3,…)

Мембраны. Тонкие упругие пластинки или натянутые на раму тонкие упругие пленки. На мембране образуются поверхностные стоячие волны, в которых множество узловых точек образуют узловые линии. Их используют в телефонных аппаратах, микрофонах; имеются мембраны (барабанные перепонки) и в органах слуха человека и животных.

Трубы. Подобно струнам, служат источниками тональных звуков. Звуковые генераторы, сирены и др.

Интенсивность излучения звука определяется мощностью источника колебаний, но также зависит от размеров колеблющихся поверхности или объема.

Приемникизвука. К ним относят микрофоны (в воздухе) и гидрофоны (в жидкостях), преобразующие механическую величину (звуковое давление) в электрическую (силу тока). Основной механической деталью этих приборов служит мембрана, которая под действием падающей на нее волны приводит в вынужденные колебания.

Эффект Доплера.

Опыт показывает, что измеряемая наблюдателем частота волны ν совпадает с частотой ν0 колебаний, испускаемых источником волн, только тогда, когда наблюдатель и источник либо неподвижны относительно окружающей их упругой среды, либо движутся относительно нее с одинаковыми по величине и направлению скоростями. Во всех остальных случаях ν ¹ν o - Это явление получило название эффекта Доплера.

Движение источника относительно наблюдателя. источник звука приближается к наблюдателю, то наблюдатель воспринимает его как звук с большей частотой, т. е. более высокий по тону. При удалении источника звук воспринимается наблюдателем как более низкий.

Движение наблюдателя относительно источника. Пусть наблюдатель Н движется относительно источника И со скоростью u, частота, воспринимаемая наблюдателем, равна ν= ν0(1 ±u/c),«+» относится к случаю приближающегося к источнику наблюдателя, знак «–» - к удаляющегося. Таким образом, приближаясь к источнику звука, наблюдатель слышит звук более высоким.

Звук как психофизическое явление.В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается. Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов. Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором), и сложным (издаваемым, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).Акустический спектр. Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону, а остальные – обертонам, или гармоникам. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте. Акустический спектр тона – это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд. Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип). При восприятии звука таким физическим характеристикам, как частота и спектральный состав, соответствуют психофизические характеристики: высота тона и тембр. Рассмотрим теперь, какой субъективной характеристике соответствует интенсивность звука. Органы слуха человека и животных могут воспринимать акустические колебания не только в определенном диапазоне частот, но и в ограниченном диапазоне интенсивностей. Так, человеческое ухо воспринимает звуки с интенсивностью не менее 10–12 Вт/м2. Эта чувствительность соответствует биологическому пределу. Различие между минимальной воспринимаемой человеком интенсивностью звука I0 и интенсивностью звука, вызывающего боль, Iб очень велико (IбêI0 = 1013), и чтобы при измерениях интенсивностей не оперировать с очень малыми или очень большими числами, удобно пользоваться логарифмами чисел. В связи с этим введена величина уровня интенсивности звука, равная десятичному логарифму отношения интенсивности исследуемого звука i к интенсивности i0 на пороге слышимости L=lg(i/i0). Уровень интенсивности звука измеряют в белах. Из этого следует, что при i =10i 0, L=1 Б. Следовательно, бел – есть единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению интенсивности в 10 раз. Согласно закону Вебера – Фехнера прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых раздражений.

Если бы чувствительность уха была одинаковой для звуков разных частот, то область слышимости на графике зависимости воспринимаемой интенсивности от частоты звука была бы прямоугольником (см. рис.). Однако чувствительность уха максимальна лишь в диапазоне частот от 1 до 3 кГц, а для остальных частот она значительно меньше. Болевой порог тоже не одинаков для разных частот. В результате область слышимости ограничена как сверху, так и снизу причудливыми кривыми (рис.). Эти кривые получены на основании измерений, проведенных с людьми, обладающими наиболее чувствительными органами слуха. Интенсивность звука измеряют приборами, называемыми шумомерами. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический, регистрируемый стрелочным электроизмерительным прибором, шкала которого проградуирована в децибелах.

Слуховой аппарат человека.Представляет собой сложную систему, элементы которой представлены на рис. (Рис. Строение слухового аппарата (а) и элементы органа слуха (б): 1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4 – молоточек, 5 – наковальня, 6 – стремечко, 7 – овальное окно, 8 – вестибулярная лестница, 9 – круглое окно. 10 – барабанная лестница, 11 – улитковый канал, 12 – основная (базилярная) мембрана)

Ухо состоит из трех основных частей – наружного, среднего и внутреннего уха. Две первые части служат передаточным устройством для подведения звуковых колебаний к слуховому анализатору, находящемуся во внутреннем ухе. Это передаточное устройство превращает воздушные колебания с большой амплитудой скорости и малым давлением в колебания с малой амплитудой скорости и большим давлением.

Биологическое действие звука.В биологической акустике шумом считают любые звуки, затрудняющие правильное восприятие звуковых сигналов, а также раздражающие нервную систему человека с соответствующими нарушениями нормальных физиологических функций организма. Изучением и профилактикой шума занимаются специалисты самых различных профилей – врачи, психологи, физики, биофизики и даже юристы, разрабатывающие основы акустического законодательства. Многочисленными экспериментами показано, что для нормальной жизнедеятельности шум не должен превышать определенного порога. Так, для нормального сна и умственной деятельности шум не должен быть выше 30 дБА; во многих учреждениях допускается шум до 55 дБА. Эти данные положены в основу разработанных гигиенистами санитарных акустических норм.Интенсивные шумы прежде всего отрицательно сказываются на работе органа Корти, приводя к повреждению волосковых клеток, причем первыми выходят из строя клетки, реагирующие на высокие частоты. Даже при кратковременном действии шума в 110 дБ временно снижается порог слуховой чувствительности на 10–15%. Однако действие шума не ограничивается нарушением работы слухового аппарата, поскольку слуховой анализатор через кору головного мозга влияет на работу других органов и систем, особенно на состояние нервной системы. Интенсивный шум вызывает изменения в циркуляции крови, возрастание СОЭ, нарушение работы органов внутренней секреции, сердечно-сосудистые заболевания.

Инфразвук.- механические колебания и волны с частотами ниже 20 Гц. Нижняя граница их неопределенна. Практический интерес представляют инфразвуки с частотами в несколько герц и даже в десятые и сотые доли герца. Источником инфразвука может быть любое тело, колеблющееся с соответствующей частотой. Инфразвуки распространяются на очень большие расстояния, так как коэффициент поглощения звука уменьшается с возрастанием длины волны. Инфразвук с частотой 3 Гц, создаваемый источником мощностью 1 Вт, можно обнаружить на расстоянии до 100 км. Инфразвук не воспринимается человеческим ухом. Инфразвук действует на вестибулярный аппарат, область собственных частот которого лежит в диапазоне от 2 до 20 Гц; под действием инфразвука он приходит в резонансные колебания, нарушающие его нормальную деятельность. Особенно вредно воздействие инфразвука на такую объемную резонирующую систему, как сердце. В инфразвуковом поле достаточной мощности возникают вынужденные колебания сердечной мышцы, при резонансе их амплитуда возрастает, что может приводить к разрывам сосудов. Частоты собственных колебаний крупных органов, как правило, лежат в диапазоне от 2 до 17 Гц, что и обусловливает опасное действие инфразвука. Особенно следует отметить резонанс инфразвука с частотой 7 Гц с колебаниями -волн мозга. Такой инфразвук даже при небольших интенсивностях вызывает расстройство органов зрения, тошноту, общую слабость. При средних мощностях (140–155 дБ) регистрируют обмороки, временную потерю зрения, а при еще больших мощностях (порядка 180 дБ) параличи, приводящие к смертельным поражениям.

Ультразвук.- упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. В определение нижней границы ультразвука с 1983 г. установлено считать ее равной 11,12 кГц. Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Так как акустическое сопротивление биологических тканей в среднем в сотни раз превышает акустическое сопротивление воздуха, то на границе воздух – ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Это создает определенные трудности при ультразвуковой терапии, так как слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука.

Получение и регистрация ультразвука.Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы.К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых ими частот, что ограничивает область их применения в б Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию акустических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели. Если кристалл поместить в электрическое поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля. В переменном электрическом поле кристалл будет деформироваться в такт с изменениями направлениям вектора напряженности и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т. е. продольную акустическую волну. Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить, переменное напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель. Так же используются титанат бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз сильнее, чем у кварца, а стоимость его невысока. Преобразователи другого типа основаны на явлении магни-тострикции (лат. strictura–сжимание). Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается в зависимости от направления намагничивания.В современной ультразвуковой аппаратуре используют оба вида преобразователей. Пьезоэлектрические применяют для получения ультразвука высоких частот (выше 100 кГц), магни-тострикционные– для получения ультразвука меньших частот. Для медицинских и ветеринарных целей обычно используют генераторы небольшой мощности.

Действие ультразвука на биологические объекты.На живые организмы ультразвук, как и другие физические факторы, оказывает возмущающее действие, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Растягивающие и сжимающие силы, действующие на клетку в УЗ волне, вряд ли могут приводить к ощутимым биологическим последствиям.Более эффективны, по-видимому, акустические течения, приводящие к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Разрушение мембран происходит при достаточно больших интенсивностях ультразвука, однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются уже при интенсивностях порядка 0,1·104 Вт/м2, тогда как другие выдерживают интенсивность до 25·104 Вт/м2 и выше. Следует отметить, что облучение ультразвуком с интенсивностью менее кавитационного порога может приводить к повышению жизнедеятельности клеток и к увеличению числа этих микроорганизмов, что вместо положительного эффекта приведет к отрицательному. Ультразвук, применяемый в терапии и диагностике, не вызывает кавитации в тканях. Нагревание тканей при их облучении терапевтическим ультразвуком весьма незначительно. Изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетки, превалирует в том или ином случае.Согласно В.Б. Акопяну, ультразвук вызывает в биологических объектах следующую цепочку превращений: ультразвуковое воздействие ® микропотоки в клетке ® повышение проницаемости клеточных мембран ® изменение состава внутриклеточной среды ® нарушение оптимальных условий для ферментативных процессов ® подавление ферментативных реакций в клетке ® синтез новых ферментов в клетке и т. д. Пороговым для биологического действия ультразвука будет такое значение его интенсивности, при котором не происходит нарушения проницаемости клеточных мембран, т. е. интенсивность не выше 0,01·104 Вт/м2.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.