Основная физиологическая характеристика звука. Физические и физиологические характеристики шума, нормирование

Физические характеристики акустических и, в частности, звуковых волн имеют объективный характер и могут быть измерены соответствующими приборами в стандартных единицах. Возникающее под действием звуковых волн слуховое ощущение субъективно, однако его особенности во многом определяются параметрами физического воздействия.

7. Акустика

Скорость акустических волн v определяется свойствами среды, в которой они распространяются - ее модулем упругости Е и плотностью р:

Скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с и зависит от температуры (с изменением температуры изменяется плотность воздуха). В жидких средах и в мягких тканях организма эта скорость составляет около 1500 м/с, в твердых телах - 3000-6000 м/с.

В формулу (7.1), определяющую скорость распространения акустических волн, не входит их частота, поэтому звуковые волны различной частоты в одной и той же среде имеют практически одинаковую скорость. Исключение составляют волны таких частот, для которых характерно сильное поглощение в данной среде. Обычно эти частоты лежат за пределами звукового диапазона (ультразвук).

Если звуковые колебания представляют периодический

Рис. 7.1.

процесс, то такие звуки называются тонами или музыкальными звуками. Они имеют дискретный гармонический спектр, представляя набор гармоник с определенными частотами и амплитудами. Первая гармоника частоты со называется основным тоном, а гармоники более высоких порядков (с частотами 2со, Зсо, 4со и т.д.) - обертонами. Чистый (или простой) тон соответствует звуковым колебаниям, имеющим лишь одну частоту. На рис. 7.1 показан спектр сложного тона, в котором представлены четыре гармонических составляющих: 100, 200, 300 и 400 Гц. Величина амплитуды основного тона принята за 100%.

Непериодические звуки, называемые шумами, имеют сплошной акустический спектр (рис. 7.2). Они обусловлены процессами, в которых амплитуда и частота звуковых колебаний изменяются со временем (вибрация деталей машин, шорох и т.п.).

Рис. 7.2.

Интенсивность звука I, как уже отмечалось ранее, представляет собой энергию звуковой волны, приходящуюся на площадку единичной площади за единицу времени, и измеряется в Вт/м 2 .

Эта физическая характеристика определяет уровень слухового ощущения, который называется громкостью и является субъективным физиологическим параметром. Связь между интенсивностью и громкостью не является прямо пропорциональной. Пока отметим только, что с увеличением интенсивности возрастает и ощущение громкости. Количественную оценку громкости можно выполнить, сравнивая слуховые ощущения, обусловленные звуковыми волнами от источников с различной интенсивностью.

При распространении звука в среде возникает некоторое добавочное давление, перемещающееся от источника звука к приемнику. Величина этого звукового давления Р также представляет физическую характеристику звука и среды его распространения. Она связана с интенсивностью I соотношением

где р - плотность среды; и - скорость распространения звука в среде.

Величину Z - ри называют удельным акустическим сопротивлением или удельным акустическим импедансом.

Частота звуковых гармонических колебаний определяет ту сторону звукового ощущения, которую называют высотой звука. Если звуковые колебания периодичны, но не подчиняются гармоническому закону, то высота звука оценивается ухом по частоте основного тона (первая гармоническая составляющая в ряду Фурье), период которого совпадает с периодом сложного звукового воздействия.

Отметим, что возможность оценки высоты тона слуховым аппаратом человека связана с продолжительностью звучания. Если время звукового воздействия меньше 1/20 с, то ухо не способно оценить высоту тона.

Близкие по частоте звуковые колебания при одновременном звучании воспринимаются как звуки различной высоты в том случае, если относительная разница частот превышает 2-3 %. При меньшей разности частот возникает ощущение слитного звука средней высоты.

Спектральный состав звуковых колебаний (см. рис. 7.1) определяется числом гармонических составляющих и соотношением их амплитуд и характеризует тембр звука. Тембр, как физиологическая характеристика слухового ощущения, в некоторой степени зависит также от скорости нарастания и изменчивости звука.

Шум - это совокупность звуков разной интенсивности и высоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения. С физиологической точки зрения, шумом является любой нежелательный звук, мешающий восприятию полезных звуков в виде производственных сигналов и речи.

Шум как физический фактор представляет собой волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение упругой среды (воздуха), носящее, как правило, беспорядочный случайный характер. При этом источником его является любое колеблющееся тело, выведенное из устойчивого состояния внешней силой.

Характер распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой она распространяется, - звуковым полем.

Звук представляет собой колебательное движение упругой среды, воспринимаемое нашим органом слуха. Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим повышением и понижением давления. Периодическое повышение давления в воздухе по сравнению с атмосферным давлением в невозмущенной среде называется звуковым давлением. Чем больше давление, тем сильнее раздражение органа слуха и ощущение громкости звука. В акустике звуковое давление измеряется в Н/м 2 , или Па. Звуковая волна характеризуется частотой f, Гц, силой звука I, Вт/м 2 , звуковой мощностью W, Вт. Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при 20 °С и нормальном атмосферном давлении равна 344 м/с. Скорость звука не зависит от частоты звуковых колебаний и при неизменных параметрах среды является постоянной величиной. При повышении температуры воздуха на 1 °С скорость звука возрастает примерно на 0,71 м/с.

Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот от 16 до 20 000 Гц, зона наибольшей чувствительности слуха находится в области 50-5000 Гц. Колебания с частотой до 16 Гц (инфразвук) и выше 20 000 Гц (ультразвук) не воспринимаются органами слуха человека.

Интенсивность шума (звука) измеряют как во всей области частот (суммарная звуковая энергия), так и в определенном диапазоне частотной полосы - в пределах октав.

Октава - это диапазон частот, в котором верхняя граница частоты вдвое больше нижней (например, 40-80, 80-160 Гц). Однако для обозначения октавы обычно указывают не диапазон частот, а так называемые среднегеометрические частоты, которые характеризуют полосу в целом и определяются по формуле

где f 1 и f 2 - соответственно низшая и высшая частоты, Гц.

Так, для октавы 40-80 Гц среднегеометрическая частота равна 62,5 Гц; для октавы 80-160 Гц - 125 Гц и т. д.

При акустических измерениях определяют интенсивность в пределах частотных полос, равных октаве, полуоктаве и трети октавы.

Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизированы и для санитарно-гигиенической оценки шума составляют 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Минимальная сила звука, воспринимаемая ухом, называется порогом слышимости (I 0 = 10 -12 Вт/м 2), ему соответствует звуковое давление Р 0 = 2-Ю" 5 Па.

Порог болевого ощущения наступает при силе звука, равной 10 2 Вт/м 2 , а соответствующего ему звукового давления - 2*10 2 Па. Как видим, изменения звукового давления слышимых звуков огромны и составляют примерно 10 7 раз. Поэтому для удобства измерения и санитарно-гигиенического нормирования интенсивности звука и звукового давления принимают не абсолютные физические, а относительные единицы, которые представляют собой логарифмы отношений этих величин к условному нулевому уровню, соответствующему порогу слышимости стандартного тона с частотой 1000 Гц.

Уровень интенсивности звука L, дБ, определяется по формуле

где I - интенсивность звука, Вт/м 2 ; I 0 - интенсивность звука, принимаемая за порог слышимости, равная 10 -12 Вт/м 2 . Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то эту формулу можно записать в виде

Эти логарифмы отношений называют соответственно уровнями интенсивности звука или чаще уровнями звукового давления, они выражаются в белах (Б).

Кроме того, для санитарно-гигиенической оценки воздействия шума на организм человека используют такой показатель, как уровень звука, определяемый по шкале А шумомера с размерностью в дБА.

Так как орган слуха человека способен различать изменение уровня интенсивности звука на 0,1Б, то для практического использования удобнее единица в 10 раз меньше -децибел (дБ).

Пользоваться шкалой децибел очень удобно, так как весь огромный диапазон слышимых звуков укладывается менее чем в 140 дБ. При действии звука более 140 дБ возможны болевые ощущения и разрыв барабанной перепонки.

В условиях производства, как правило, имеют место шумы различной интенсивности и частоты, которые создаются в результате работы разнообразных механизмов, агрегатов и других устройств.

Производственный шум, являющийся сложным звуком, может быть разложен на простые составляющие, графическое изображение которых называется спектром (рис. 2.4). Он представляет собой совокупность восьми уровней звукового давления на всех среднегеометрических частотах. По характеру может быть различным в зависимости от преобладающих частот.

Рис. 2.4. Основные типы шумовых спектров: а - дискретный (линейчатый); б - сплошной; в - смешанный

Если же в этой совокупности представлены нормативные значения уровней звукового давления, то она называется предельным спектром (ПС). Каждый из предельных спектров имеет свой индекс, например, ПС-80, где 80 -нормативный уровень звукового давления (дБ) в октавной полосе с f = 1000 Гц.

Согласно ГОСТ 12.1.003 шум классифицируется по следующим признакам:

♦ по характеру спектра: широкополосный, с непрерывным спектром шириной более октавы; тональный, в спектре которого имеются слышимые тона. Тональный характер определяют по превышению уровня шума в одной полосе над соседними третьоктавными полосами не менее чем на 10 дБ;

♦ по временным характеристикам: постоянный и непостоянный;

♦ по частотной характеристике различают шумы низко-, средне- и высокочастотные, имеющие соответственно границы 16-350, 350-800 и выше 800 Гц.

Непостоянные шумы, в свою очередь, подразделяются:

♦ на колеблющиеся во времени, уровень звука которых изменяется во времени непрерывно;

♦ прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

♦ импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука различаются не менее чем на 7 дБ.

Характеристика шума в децибелах в пределах частот не всегда достаточна. Известно, что звуки, имеющие одну и ту же интенсивность, но разную частоту воспринимаются на слух как неодинаково громкие. Звуки, имеющие низкую или очень большую частоту (вблизи верхней границы воспринимаемых частот) ощущаются как более тихие в сравнении со звуками, находящимися в средней зоне. Поэтому для сравнения между собой различных по частотному составу звуков в отношении их громкости используют единицы громкости - фоны и соны.

За единицу сравнения условно принят звук с частотой 1000 Гц. В международных рекомендациях в последние годы стандартным принят звук с частотой 2000 Гц.

Уровнем громкости шума (звука) называется уровень силы равногромкого с этим шумом звука с частотой колебаний 1000 Гц, для которого уровень силы звука в децибелах условно принят за уровень громкости в фонах. Один фон - это громкость звука при частоте 1000 Гц и уровне интенсивности в 1 дБ. На частоте 1000 Гц уровни громкости равны уровням звукового давления. Например, звук с частотой колебаний 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку с частотой колебаний 1000 Гц и силой 20 дБ (20 фонов). При малых уровнях громкости и низких частотах расхождения между силой звука в децибелах и уровнем громкости в фонах наибольшие. По мере увеличения громкости и частоты эта разница сглаживается.

Рис. 2.5. Кривые равной громкости звуков

На рис. 2.5 приведены кривые равной громкости, характеризующие уровни громкости в пределах слышимости. Видно, что орган слуха человека обладает наибольшей чувствительностью при 800-4000 Гц, а наименьшей - при 20-100 Гц.

Наряду с оценкой громкости шума в фонах используют и другую единицу громкости - сон, которая нагляднее отражает изменение субъективно воспринимаемой громкости и позволяет определить, во сколько раз один звук громче другого. С увеличением громкости на 10 фонов уровень громкости в сонах возрастает в 2 раза.

Шкала громкости в сонах позволяет определить во сколько раз снизилась громкость шума после внедрения тех или иных мер борьбы с ним, или во сколько раз шум на одном рабочем месте превышает по громкости шум на другом.

При одновременном распространении нескольких звуковых волн возможно увеличение или снижение громкости шума в результате интерференционных явлений.

Вибрация - это механические колебания и волны в твердых телах или более конкретно, это механические, чаще всего синусоидальные, колебания, возникающие в машинах и аппаратах.

По способу воздействия на человека вибрации подразделяются на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную, передающуюся через руки человека.

Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется на три категории:

♦ транспортная: воздействует на операторов подвижных машин и транспортных средств при их движении (1-я категория);

♦ транспортно-технологическая: с ограниченным перемещением только по специально подготовленным поверхностям производственных помещений (2-я категория);

♦ технологическая: воздействует на операторов стационарных машин или передается на рабочие места, не имеющие источников вибрации (3-я категория).

♦ на постоянных рабочих местах производственных помещений;

♦ на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других вспомогательных производственных помещений, где отсутствуют машины и механизмы, генерирующие вибрацию;

♦ на рабочих местах в административных и служебных помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, здравпунктов, в конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда.

Общей вибрации чаще всего подвергаются транспортные рабочие, операторы мощных штампов, вырубных прессов и т.д.

Основные физические параметры вибрации: частота f, Гц; амплитуда колебаний А, м; колебательная скорость V, м/с; колебательное ускорение а, м/с 2 .

По характеру спектра вибрацию подразделяют:

♦ на узкополосную со спектром частот, расположенным
в узкой полосе. При этом уровень контролируемого пара
метра в октавной полосе частот более чем на 15 дБ превыша
ет значения в соседних третьоктавных полосах;

♦ широкополосную со спектром частот, расположен
ным в широкой полосе (шириной более одной октавы).

По временным характеристикам вибрация делится:

♦ на постоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 мин или время технологического цикла) изменяется не более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с;

♦ непостоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 мин или время технологического цикла) изменяется более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с.

Непостоянная вибрация бывает:

♦ колеблющейся во времени, для которой величина нормируемого параметра непрерывно изменяется во времени;

♦ прерывистой, когда воздействие вибрации на человека прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых воздействует вибрация, составляет более 1 с;

♦ импульсной, состоящей из одного или нескольких вибрационных воздействий (ударов), каждый длительностью менее 1 с.

Локальной вибрации преимущественно подвергаются лица, работающие с ручными механизированными электрическими или пневматическими инструментами.

Так же как и для шума, весь спектр частот вибраций, воспринимаемых человеком, может быть разделен на ок-тавные и третьоктавные полосы частот со среднегеометрическими частотами октавных полос 1; 2; 4; 8; 16; 32; 63; 125; 250; 500; 1000 и 2000 Гц.

За нулевой уровень колебательной скорости принята величина V 0 = 510 -8 м/с, соответствующая среднеквадратичной колебательной скорости при стандартном пороге звукового давления, равном 2 10 -5 Па, хотя порог восприятия вибрации для человека значительно выше и равен 10 -4 м/с. За нулевой уровень колебательного ускорения принимают величину а = 3-10 -4 м/с 2 . При колебательной скорости в 1 м/с у человека возникают болевые ощущения.

Поскольку абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в очень широких пределах, то удобнее измерять не действительные значения

этих параметров, а логарифмы их отношений к пороговым.

Уровень виброскорости L v , дБ, определяется по формуле

где V - действительное значение виброскорости, м/с; V 0 -пороговое значение виброскорости (510 -8 м/с).

Спектры уровней колебательной скорости являются основными характеристиками вибраций; они могут быть, так же как и для шума, дискретными, сплошными и смешанными.

В СанПиН 2.2.4/2.1.8.10-33-2002 приведены соотношения между уровнями виброскорости в децибелах и ее значениями в метрах на секунду, а также между логарифмическими уровнями виброускорения в децибелах и его значениями в метрах на секунду в квадрате.

2.4.2. Воздействие шума, вибрации и других колебаний на организм человека

Шум и вибрация могут в большей или меньшей степени временно активизировать или постоянно подавлять определенные психические процессы в организме человека. Физиопатологические последствия могут проявляться в форме нарушения функций слуха и других анализаторов, например, вестибулярного аппарата, координирующей функции коры головного мозга, нервной или пищеварительной системы, системы органов кровообращения. Кроме того, шум влияет на углеводный, жировой и белковый обмены веществ в организме.

Звуки различных частот даже при одинаковой их интенсивности воспринимаются по-разному. Низкочастотные звуки воспринимаются как относительно тихие, но по мере увеличения их частоты усиливается громкость восприятия, а при приближении их к верхней высокочастотной границе звуковой части спектра, громкость восприятия снова падает.

Область слухового восприятия, доступная человеческому уху, ограничивается порогами слышимости и болевого ощущения (рис. 2.6). Границы этих порогов в зависимос-

Рис. 2.6. Область слухового восприятия: Р - речь; М - музыка; С - порог слышимости; Б - порог болевого ощущения

ти от частоты существенно меняются. Этим объясняется, что высокочастотные звуки более неприятны для человека, чем низкочастотные (при одинаковых уровнях звукового давления).

Производственный шум различной интенсивности и спектра, длительно воздействующий на работающих, может привести со временем к понижению остроты слуха у последних, а иногда и к развитию профессиональной глухоты. Установлено, что потеря слуха обычно наступает при воздействии шума в диапазоне частот 3000-6000 Гц, а нарушение разборчивости речи - при частоте 1000-2000 Гц. Наибольшая потеря слуха работающих наблюдается в первые десять лет работы, причем эта опасность увеличивается с возрастом.

Вибрация воздействует на центральную нервную систему (ЦНС), желудочно-кишечный тракт, органы равновесия (вестибулярный аппарат), вызывает головокружение, онемение конечностей, заболевания суставов. Длительное воздействие вибрации приводит к профессиональному заболеванию - вибрационной болезни, эффективное лечение

Рис. 2.7. Виды воздействия вибрации на организм человека

которой возможно лишь на ранних стадиях, причем восстановление нарушенных функций протекает крайне медленно, а при определенных условиях в организме могут наступить необратимые процессы, сопровождающиеся полной потерей трудоспособности.

На рис. 2.7 представлено в обобщенном виде воздействие вибрации на организм человека.

Кроме вредного воздействия на организм человека, вибрация приводит к разрушению зданий, сооружений, коммуникаций, поломке оборудования. Отрицательное влияние ее заключается также в снижении КПД работающих машин и механизмов, преждевременном износе вращающихся деталей вследствие их дисбаланса, понижении точности контрольно-измерительных приборов (КИП), нарушении функционирования автоматических систем управления и т. д.

Инфразвуком принято называть распространяющиеся в воздушной среде колебания с частотой ниже 16 Гц. Низкая частота инфразвукового колебания обусловливает ряд особенностей его распространения в окружающей среде. Вследствие большой длины волны инфразвуковые колебания меньше поглощаются в атмосфере и легче огибают препятствия, чем колебания с более высокой частотой. Этим объясняется способность инфразвука распространяться на значительные расстояния с небольшими потерями энергии. Именно поэтому стандартные мероприятия по борьбе с шумом в данном случае неэффективны.

Под воздействием инфразвука возникает вибрация крупных элементов строительных конструкций, а из-за резонансных эффектов и возбуждения вторичного индуцированного шума в звуковом диапазоне в отдельных помещениях может иметь место усиление инфразвука.

Источниками инфразвука могут быть средства наземного, воздушного и водного транспорта, пульсация давления в газовоздушных смесях (форсунки большого диаметра) и др.

Наиболее характерным и широко распространенным источником низкоакустических колебаний являются компрессоры. Отмечается, что шум компрессорных цехов является низкочастотным с преобладанием инфразвука, причем в кабинах операторов инфразвук становится более выраженным из-за затухания более высокочастотных шумов.

Источниками инфразвуковых колебаний являются также мощные вентиляционные системы и системы кондиционирования воздуха. Максимальные уровни их звукового давления достигают соответственно 106 дБ на частотах 20 Гц, 98 дБ на 4 Гц, 85 дБ на 2 и 8 Гц.

В диапазоне частот 16-30 Гц порог восприятия инфразвуковых колебаний для слухового анализатора составляет 80-120 дБА, а болевой порог - 130-140 дБА.

Действие инфразвука на человека воспринимается как физическая нагрузка: нарушается пространственная ориентация, возникают морская болезнь, пищеварительные расстройства, нарушения зрения, головокружение, изменяется периферическое кровообращение. Степень воздействия зависит от диапазона частот, уровня звукового давления и продолжительности экспозиции. Колебания с частотой 7 Гц препятствуют сосредоточению внимания и вызывают ощущение усталости, головную боль и тошноту. Наиболее опасны колебания с частотой 8 Гц. Они могут вызывать явление резонанса системы кровообращения, приводящего к перегрузке сердечной мышцы, сердечному приступу или даже к разрыву некоторых кровеносных сосудов. Инфразвук небольшой интенсивности может служить причиной повышенной нервозности, вызывать депрессию.

Ультразвуковая техника и технологии широко применяются в различных отраслях человеческой деятельности для целей активного воздействия на вещества (пайка,

сварка, лужение, механическая обработка, обезжиривание деталей и т.д.); структурного анализа и контроля физико-механических свойств вещества и материалов (дефектоскопия); для обработки и передачи сигналов радиолокационной и вычислительной техники; в медицине - для диагностики и терапии различных заболеваний с использованием звуковидения, резки и соединения биологических тканей, стерилизации инструмента, рук и т.д.

Ультразвуковые установки с рабочими частотами 20-30 кГц находят широкое применение в промышленности. Наиболее распространенные уровни звукового и ультразвукового давлений на рабочих местах на производстве - 90-120 дБ.

Ультразвуком принято считать колебания свыше 20 кГц, распространяющиеся как в воздухе, так и в жидких и твердых средах. В производственной санитарии различают контактный и воздушный виды ультразвука (Сан-ПиН 9-87-98 и СанПиН 9-88-98).

Контактный ультразвук - это ультразвук, передающийся при соприкосновении рук или других частей тела человека с его источником, обрабатываемыми деталями, приспособлениями для их удержания, озвучиваемыми жидкостями, сканерами медицинской ультразвуковой аппаратуры, искательными головками ультразвуковых дефектоскопов и т.п.

Воздушный ультразвук - это ультразвуковые колебания в воздушной среде.

Из этих определений следует, что ультразвук передается человеку через контакт с воздухом, водой или непосредственно от вибрирующей поверхности (инструмента, машин, аппаратов и других возможных источников).

Пороги слухового восприятия высокочастотных звуков и ультразвуков составляют на частоте 20 кГц - 110 дБ, 30 кГц - до 115 дБ и 40 кГц - до 130 дБ. Условно ультразвуковой диапазон делится на низкочастотный - 1,1210 4 -1,0 10 5 Гц, распространяющийся воздушным и контактным путем, и высокочастотный - 1,0 10 5 -1,0 10 9 , распространяющийся только контактным путем.

Высокочастотный ультразвук практически не распространяется в воздухе и может оказывать воздействие на работающих преимущественно при контакте источника ультразвука с открытой поверхностью тела.

Низкочастотный ультразвук, напротив, оказывает на работающих общее действие через воздух и локальное за счет соприкосновения рук с обрабатываемыми деталями, в которых возбуждены ультразвуковые колебания.

Ультразвуковые колебания непосредственно у источника их образования распространяются направленно, но уже на небольшом расстоянии от источника (25-50 см) переходят в концентрические волны, заполняя все рабочее помещение ультразвуком и высокочастотным шумом.

Ультразвук оказывает существенное влияние на организм человека. Как уже отмечалось, ультразвук способен распространяться во всех средах: газообразной, жидкой и твердой. Поэтому в организме человека он воздействует не только собственно на органы и ткани, но и на клеточную и другие жидкости. При распространении в жидкой среде ультразвук вызывает кавитацию этой жидкости, т. е. образование в ней мельчайших пустотных пузырьков, заполняемых парами этой жидкости и растворенных в ней веществ, и их сжатие (захлопывание). Этот процесс сопровождается образованием шума.

При работе на мощных ультразвуковых установках операторы предъявляют жалобы на головные боли, которые, как правило, исчезают при прекращении работы; быструю утомляемость; нарушение ночного сна; чувство непреодолимой сонливости днем; ослабление зрения, чувство давления на глазные яблоки; плохой аппетит; постоянную сухость во рту и одеревенелость языка; боль в животе и т.д.

Звуки приносят человеку жизненно важную информацию - с их помощью мы общаемся, слушаем музыку, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

Звуковая волна - упругая продольная волна, вызывающая у человека слуховые ощущения. Колебания источника звука (например, струн или голосовых связок) вызывают появление продольной волны. Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний источника. Свыше 20 тыс. нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. При передаче импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают определенные слуховые ощущения.

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны меняются такие характеристики среды, как давление и плотность.

Звуковые волны, воспринимаемые органами слуха, вызывают звуковые ощущения.

Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом:

инфразвук (ν < 16 Гц);
слышимый человеком звук (16 Гц < ν < 20000 Гц);
ультразвук (ν > 20000 Гц);
гиперзвук (10 9 Гц < ν < 10 12 -10 13 Гц).

Человек не слышит инфразвук, но каким-то образом эти звуки воспринимает. Так как например, опыты показали, что инфразвук вызывает неприятные тревожные ощущения.

Многие животные могут воспринимать ульразвуковые частоты. Например, собаки могут слышать звуки до 50000 Гц, а летучие мыши - до 100000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и многим другим морским животным ориентироваться в толще воды.

Физические характеристики звука

Одной из важнейших характеристик звуковых волн является спектр.

Спектром называется набор различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.

Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.

Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.

По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тона.

Шум - совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т.п.) - представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр). С развитием промышленности появилась новая проблема - борьба с шумом. Возникло даже новое понятие «шумовое загрязнение» среды обитания. Шум, особенно большой интенсивности, не просто надоедает и утомляет - он может и серьезно подорвать здоровье.

Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты.

С помощью музыкальных тонов создается музыкальная азбука - ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.

Музыкальный звук (созвучие) - результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Любой звук, помимо частоты, характеризуется интенсивностью. Так реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка 10 3 Вт/м 2 , мощные усилители на концерте в закрытом помещении - до 1 Вт/м 2 , поезд метро - около 10 –2 Вт/м 2 .

Чтобы вызвать звуковые ощущения, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, называемой порогом слышимости. Интенсивность звуковых волн, при которой возникает ощущение давящей боли, называют порогом болевого ощущения или болевым порогом.

Интенсивность звука, улавливаемая ухом человека, лежит в широких пределах: от 10 –12 Вт/м 2 (порог слышимости) до 1 Вт/м 2 (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль.

Уровень интенсивности звука L определяют по шкале, единицей которой является бел (Б) или, что гораздо чаще, децибел (дБ) (одна десятая бела). 1 Б - самый слабый звук, который воспринимает наше ухо. Эта единица названа в честь изобретателя телефона Александра Белла. Измерение уровня интенсивности в децибелах проще и поэтому принято в физике и технике.

Уровень интенсивности L любого звука в децибелах вычисляется через интенсивность звука по формуле

\(L=10\cdot lg\left(\frac{I}{I_0}\right),\)

где I - интенсивность данного звука, I 0 - интенсивность, соответствующая порогу слышимости.

В таблице 1 приведен уровень интенсивности различных звуков. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Таблица 1

Уровень интенсивности (L ) звуков

Физиологические характеристики звука

Физическим характеристикам звука соответствуют определенные физиологические (субъективные) характеристики, связанные с восприятием его конкретным человеком. Это обусловлено тем, что восприятие звука - процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные, не зависящие от человека характеристики звука) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные черты каждого человека).

Основными субъективными характеристиками звука можно считать громкость, высоту и тембр.

Громкость (степень слышимости звука) определяется, как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц. При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ. Вследствие этого, звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары, голоса людей (табл. 2).

Таблица 2

Частота ν колебаний различных источников звука

Источник звука	ν, Гц	Источник звука	ν, Гц
Мужской голос :	100 - 7000	Контрабас	60 - 8 000
бас	80 - 350	Виолончель	70 - 8 000
баритон	100 - 400	Труба	60 - 6000
тенор	130 - 500	Саксафон	80 - 8000
Женский голос :	200 - 9000	Рояль	90 - 9000
контральто	170 - 780	Музыкальные тона :
меццо-сопрано	200 - 900	Нота до	261,63
сопрано	250 - 1000	Нота ре	293,66
колоратурное сопрано	260 - 1400	Нота ми	329,63
Орган	22 - 16000	Нота фа	349,23
Флейта	260 - 15000	Нота соль	392,0
Скрипка	260 - 15000	Нота ля	440,0
Арфа	30 - 15000	Нота си	493,88
Барабан	90 - 14000

Скорость звука

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше чем в твердых телах (табл. 3). В вакууме звуковые волны, как и любые механические волны, не распространяются, так как там нет упругих взаимодействий между частицами среды.

Таблица 3.

Скорость звука в различных средах

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально \(\sqrt{T},\) где T - абсолютная температура. В воздухе скорость звука υ = 331 м/с при температуре t = 0 °C и υ = 343 м/с при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение - вода).

Впервые скорость распространения звука в воздухе была определена в 1640 г. французским физиком Мареном Мерсенном. Он измерял промежуток времени между моментами появления вспышки и звука при ружейном выстреле. Мерсенн определил, что скорость звука в воздухе равна 414 м/с.

Применение звука

Инфразвук в технике пока применять не научились. Зато широкое применение получил ультразвук.

Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией , а соответствующие приборы - эхолокаторами .

Хорошо известны животные, обладающие способностью к эхолокации - летучие мыши и дельфины. По своему совершенству эхолокаторы этих животных не уступают, а во многом и превосходят (по надежности, точности, энергетической экономичности) современные эхолокаторы, созданные человеком.

Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образован из начальных букв трех английских слов: sound - звук; navigation - навигация; range - дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой. При их помощи могут быть легко обнаружены как отдельные большие предметы или животные, так и стаи небольших рыб или моллюсков.

Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях. УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека. Ультразвуковое излучение, в отличие от рентгеновского, безвредно для человека.

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 57-58.
Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2004. - С. 338-344.
Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 184-198.

1. Характеристики слухового ощущения, их связь с физическими

характеристиками звука. Зависимость громкости от частоты.

Закон Вебера-Фехнера.

Звуковой тон характеризуется частотой (периодом), гармоническим спектром, интенсивностью или силой звука и звуковым давлением. Все эти характеристики звука являются физическими или объективными характеристиками. Однако звук является объектом слухового ощущения, поэтому оценивается человеком субъективно, т.е. звук имеет и физиологические характеристики, которые являются отражением его физических характеристик. Задачей системы звуковых измерений является - установить эту связь и таким образом дать возможность при исследовании слуха у различных людей единообразно сопоставить субъективную оценку слухового ощущения с данными объективных измерений.

Частота колебаний звуковой волны оценивается как высота звука (высота тона). Чем больше частота колебаний, тем более высоким воспринимается звук.

Другой физиологической характеристикой является тембр, который определяется спектральным составом сложного звука. Сложные тоны одинаковых основных частот могут отличатся по форме колебаний и соответственно по гармоничному спектру. Это различие воспринимается как тембр (окраска звука). Например, ухо различает одну и ту же мелодию, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах.

Громкость – ещё одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения. Она зависит, прежде всего, от интенсивности и частоты звука.

Рассмотрим вначале зависимость чувствительности уха от частоты. Ухо человека не одинаково чувствительно к различным частотам при одной и той же интенсивности. Диапазон частот воспринимаемый им – 16Гц-20кГц. Способность человека воспринимать высокочастотные звуки ухудшается с возрастом. Молодой человек может слышать звуки с частотой до 20 000 Гц, но уже в среднем возрасте тот же человек не способен воспринимать звуки с частотой выше 12-14 кГц. В пределах частоты 1 000-3 000 Гц чувствительность наибольшая. Она снижается к частотам 16 Гц и 20 кГц. Очевидно, что характер изменения порога слышимости обратен изменению чувствительности уха, т.е. при увеличении частоты от 16 Гц, он вначале снижается, в области частот 1000-3000 Гц остается почти неизменным, затем опять повышается. Это отражено на графике зависимости изменения порога слышимости от частоты (см. рис.1).

График построен в логарифмическом масштабе. Верхняя кривая на графике соответствует болевому порогу. Нижний график называют кривой порогового уровня громкости, т.е. J 0 = f(ν).

Громкость звука зависит от его интенсивности. Она является субъективной характеристикой звука. Эти два понятия являются неравнозначными. Зависимость громкости от интенсивности звука имеет сложный характер, обусловленный чувствительностью уха к действию звуковых волн. Человек может только приблизительно оценить абсолютную интенсивность ощущения. Однако он достаточно точно устанавливает разницу при сравнении двух ощущений различной интенсивности. Это вызвало появление сравнительного метода измерения громкости. При этом измеряют не абсолютную величину громкости, а соотношение ее с некоторой другой величиной, которая принята за начальный или нулевой уровень громкости.

Кроме этого условились при сравнении интенсивности и громкости звука исходить из тона, с частотой 1 000 Гц, т.е. считать громкость тона частотой 1 000 Гц эталоном для шкалы громкости. Как уже было сказано, сравнительный метод применяется и при измерении интенсивности (силы) звука. Поэтому имеются две шкалы: одна для измерения уровней интенсивности; вторая - для измерения уровней громкости. В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера. Согласно этому закону, если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (на одинаковую величину). Например, если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений: a J 0 , a 2 J 0 , a 3 J 0 (a>1 - некоторый коэффициент), то соответствующие им изменения громкости звука будут равны Е 0 , 2Е 0 , 3Е 0 . Математически это означает, что громкость звука прямопропорциональна логарифму интенсивности.

Если действует звуковой раздражитель с интенсивностью J, то на основании закона Вебера-Фехнера уровень громкости Е связан с уровнем интенсивности следующим образом:

Е = КL = Кlg , (1)

где - относительная сила раздражения, К - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности, принятый равный единице для ν =1000 Гц. Следовательно, если принять К=1 на всех частотах, то в соответствии с формулой (1) мы получим шкалу уровней интенсивностей; при К≠1 - шкалу громкости, где единицей измерения будет уже не децибел, а фон . Учитывая, что на частоте 1кГц шкалы громкости и интенсивности совпадают, значит Е ф =10 .

Зависимость громкости от интенсивности и частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков, которые называются кривыми равной громкости, т.е. J=f(ν) при Е = const. Нами была построена кривая нулевого уровня громкости или порога слышимости . Эта кривая является основной (нулевой уровень громкости - Е ф =0).

Если построить аналогичные кривые для различных уровней громкостей, например, ступенями через 10 фонов, то получится система графиков (рис.2), которая дает возможность найти зависимость уровня интенсивности от частоты при любом уровне громкости. Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости, т.е. для всех частот Е ф =0 (для частоты ν=1кГц интенсивность J 0 = Вт/м 2). Исследование остроты слуха называется аудиометрией. При аудинометрии на специальном приборе аудиометре определяют у обследуемого порог слухового ощущения на разных частотах. Полученный график называют аудиограммой. Потеря слуха определяется путем сравнения ее с нормальной кривой порога слышимости.

2. Звуковые методы исследования в клинике.

Звуковые явления сопровождают ряд процессов, происходящих в организме, например, работа сердца, дыхание и т.д. Непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма, составляют один из важнейших приемов клинического исследования и называются аускультацией (выслушивание). Этот метод известен еще со 2-го века до н. э. Для этой цели используют стетоскоп - прибор в виде прямой деревянной или пластмассовой трубки с небольшим раструбом на одном конце и плоским основанием на другом для прикладывания уха. Звук от поверхности тела к уху проводится как самим столбом воздуха, так и стенками трубки.

Для аускультации используют фонендоскоп, состоящий из полой капсулы с мембраной, прикладываемой к телу больного. От капсулы идут две резиновых трубки, которые вставляются в уши врача. Резонанс столба воздуха в капсуле усиливает звук.

Для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы применяется метод - фонокардиография (ФКГ) - графическая регистрация тонов и шумов сердца с целью их диагностической интерпретации. Запись производится с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Отличным от двух указанных методов является перкуссия - метод исследования внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Характер этих звуков зависит от способа постукивания и свойств (упругости, плотности) тканей, находящихся вблизи места, по которому производится постукивание. Постукивание может производится специальным молоточком с резиновой головкой, пластинкой из упругого материала, называемой плессиметром, или постукиванием кончиком согнутого пальца одной руки по фаланге пальца другой, наложенной на тело человека. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Одни колебания быстро будут затухать, другие, вследствие резонанса, усилятся и будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию внутренних органов.

3. Ультразвук (УЗ), источники УЗ. Особенности распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуком называют звуковые колебания, частота которых занимает диапазон от 20 кГц до 10 10 Гц. Верхний предел принят совершенно условно из таких соображений, что длина волны в веществе и тканях для такой частоты оказывается соизмерима с межмолекулярными расстояниями с учетом того, что скорость распространения УЗ в воде и тканях одинакова. Смещение в УЗ волне описывается ранее рассмотренным уравнением волны.

Наибольшее распространение как в технике, так и в медицинской практике получили пьезоэлектрические излучатели УЗ. Пьезоэлектрическим излучателями служат кристаллы кварца, титаната бария, сегнетовой соли и др. Пьезоэффектом (прямым) называют явление возникновения на поверхностях упомянутых кристаллических пластинок противоположных по знаку зарядов под действием механических деформаций (рис.3а). После снятия деформации заряды исчезают.

Существует и обратный пьезоэффект, который нашел применение и в медицинской практике для получения высокочастотного УЗ. Если на посеребренные грани поверхности пластинки пьезоэлемента (рис.3б) подать переменное напряжение от генератора, то кварцевая пластинка придет в колебание в такт переменного напряжения генератора. Амплитуда колебаний будет максимальной, когда собственная частота кварцевой пластинки (ν 0) совпадает с частотой генератора (ν г), т.е. наступит резонанс (ν 0 = ν г). Приемник УЗ можно создать на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. При этом под воздействием УЗ-волн происходит деформация кристалла, что приводит к появлению переменного напряжения, которое может быть измерено или зафиксировано на экране электронного осциллографа после предварительного его усиления.

Ультразвук может получатся с помощью аппаратов, основанных на явлении магнитострикции (для получения низких частот), которая заключается в изменении длины (удлинении и укорочении) ферромагнитного стержня, помещенного в высокочастотное магнитное поле. Торцы этого стержня будут излучать низкочастотный УЗ. Кроме указанных источников УЗ имеются механические источники (сирены, свистки), в которых механическая энергия преобразуется в энергию УЗ колебаний.

По своей природе УЗ, как и звук, является механической волной, распространяющейся в упругой среде. Скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн примерно одинаковы. Однако длина волны УЗ значительно меньше, чем звука. Это позволяет легко сфокусировать УЗ колебания.

Ультразвуковая волна обладает значительно большей интенсивностью, чем звуковая, вследствие большой частоты она может достигать нескольких Ватт на квадратный сантиметр (Вт/см 2), а при фокусировке можно получить УЗ с интенсивностью 50 Вт/см 2 и более.

Распространение УЗ в среде отличается (благодаря малой длине волны) и другой особенностью - жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники УЗ, а воздух и газ - плохие. Так, в воде при прочих равных условиях УЗ затухает в 1 000 раз слабее, чем в воздухе. При распространении УЗ в неоднородной среде возникает отражение его и преломление. Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Если УЗ в среде с w 1 = r 1 J 1 падает перпендикулярно на плоскую поверхность второй среды с w 2 = r 2 J 2 , то часть энергии пройдет через граничную поверхность, а часть отразится. Коэффициент отражения будет равен нулю, если r 1 J 1 = r 2 J 2 т.е. УЗ-энергия не будет отражаться от границы раздела поверхностей, а будет переходить из одной среды в другую без потерь. Для границ раздела воздух-жидкость, жидкость-воздух, твердое тело-воздух и наоборот коэффициент отражения будет равен почти 100%. Объясняется это тем, что воздух имеет очень малое акустическое сопротивление.

Вот поэтому во всех случаях связи излучателя УЗ с облучаемой средой, например, с телом человека, необходимо строго следить, чтобы между излучателями и тканью не было даже минимального воздушного слоя (волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ излучателя покрывается слоем масла или оно наносится тонким слоем на поверхность тела.

При распространении УЗ в среде возникает звуковое давление, которое колеблется, принимая положительное значение в области сжатия и отрицательное в следующей за ней области разряжения. Так, например, при интенсивности ультразвука 2 Вт/см 2 в тканях человека создается давление в области сжатия + 2,6 атм., которое в следующей области переходит в разряжение - 2,6 атм. (рис.4). Сжатие и разряжение, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошной жидкости с образованием микроскопических полостей (кавитация). Если этот процесс происходит в жидкости, то пустоты заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Затем на месте полости образуется участок сжатия вещества, полость быстро захлопывается, выделяется значительное количество энергии в малом объеме, что приводит к разрушению микроструктур вещества.

4. Медико-биологическое применение ультразвука.

Медико-биологическое действие УЗ весьма разнообразно. До настоящего времени нельзя еще дать исчерпывающего объяснения действия УЗ на биологические объекты. Не всегда легко выделить из многочисленных эффектов, вызываемых УЗ, основные. Тем не менее, показано, что при облучении УЗ биологических объектов необходимо считаться в основном со следующими действиями УЗ:

тепловое; механическое действие; косвенное, в большинстве случаев, физико-химическое действие.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ УЗ имеет важное значение, т.к. процессам обмена веществ в биологических объектах свойственна значительная температурная зависимость. Тепловой эффект определяется поглощенной энергией. При этом используются небольшие интенсивности УЗ (около 1 Вт/см 2). Тепловой эффект вызывает расширение тканей, кровеносных сосудов в результате чего усиливается обмен веществ, наблюдается усиление кровотока. Благодаря тепловому действию сфокусированного ультразвука его можно использовать в качестве скальпеля для резки не только мягких тканей, но и костной ткани. В настоящее время разработан метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ. Механические колебания частиц вещества в ультразвуковом поле могут вызвать положительный биологический эффект (микромассаж тканевых структур). К этому виду воздействия относится и микровибрация на клеточном и субклеточном уровне, разрушение биомакромолекул, разрушение микроорганизмов грибков, вирусов, разрушение злокачественных опухолей, камней в мочевом пузыре и почках. Ультразвук используется для дробления веществ, например, при изготовлении коллоидных растворов, высокодисперсных лекарственных эмульсий, аэрозолей. Путем разрушения растительных и животных клеток из них выделяют биологически активные вещества (ферменты, токсины). УЗ вызывает повреждения и перестройку клеточных мембран, изменение их проницаемости.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА. Действие ультразвука можно ускорить некоторые химические реакции. Считают, что это связано с активацией УЗ молекул воды, которые затем распадаются, образуя активные радикалы Н + и ОН - .

Медико-биологическое приложение УЗ можно разделить в основном на два направления: диагностика и терапия. К первому относится локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эхоэнцефалография – определение опухолей и отеков мозга.

Локационные методы основаны на отражении УЗ от границы раздела сред с различной плотностью. К этому методу относится и ультразвуковая кардиография – измерение размеров сердца в динамике. УЗ локация используется и в офтальмологии для определения размеров глазных сред. Ультразвуковой эффект Доплера используется для изучения характера движения сердечных клапанов и скорости кровотока.

Весьма большое будущее ультразвуковых голографических методов получения изображения таких органов как почек, сердца, желудка и др.

Ко второму направлению относится ультразвуковая терапия. Обычно применяются УЗ с частотой 800 кГц и интенсивностью 1 Вт/см 2 и меньше. Причем первичными механизмами действия являются механическое и тепловое действие на ткань. Для целей ультразвуковой терапии используется аппарат УТП-ЗМ и др.

5. Инфразвук (ИЗ), особенности его распространения.

Действие инфразвуков на биологические объекты.

Инфразвуком (ИЗ) называют звуковые колебания, верхний диапазон которых не превышает 16 – 20 Гц. Нижний диапазон 10 -3 Гц. Большой интерес представляют ИЗ частотой 0,1 и даже 0,01 Гц. ИЗ входят в состав шумов. Источниками ИЗ являются движение (штормовое) морской или речной воды, шум леса, ветра, грозовые разряды, землетрясение и обвалы, колебания фундаментов зданий, станков, дорог от движущегося транспорта. ИЗ возникает во время вибраций механизмов, при обдувании ветром зданий, деревьев, столбов, при движении человека и животных.

Характерным свойством ИЗ является его малая поглощаемость средами. Поэтому он распространяется на большие расстояния. ИЗ хорошо распространяется в ткани организма человека, особенно в костной ткани. Скорость ИЗ-волн в воздухе 1200 км/ч, в воде 6000 км/ч.

Малая поглощаемость ИЗ позволяет по распространению его в земной коре обнаружить взрывы и землетрясения на большом расстоянии от источника. По измеренным ИЗ колебаниям прогнозируют цунами. В настоящее время разработаны чувствительные приемники ИЗ, с помощью которых, например, удается предсказать шторм за много часов до его наступления.

ИЗ колебания обладают биологической активностью, которая объясняется совпадением их частоты с альфа ритмом головного мозга.

ИЗ частотой 1-7 Гц с интенсивностью в 70 Дб в течение 8-10 мин. облучения вызывают: головокружение, тошноту, затруднение дыхания, чувство угнетения, головную боль, удушье. Все эти факторы усиливаются при повторном воздействии ИЗ. ИЗ определенной частоты может привести к смертельному исходу.

Вибрации механизмов являются источником ИЗ. В связи с неблагоприятным действием вибрации и ИЗ на организм человека, возникает вибрационная болезнь (ВБ). ВБ возникает при длительном воздействии указанных факторов на определенный участок ткани или органа человека и приводит к утомляемости не только отдельных органов, но и всего организма человека. Она приводит вначале к атрофированию мышц рук и других органов, к понижению чувствительности к механическим вибрациям, к появлению судорог пальцев рук, ног и других органов.

Предполагают, что первичный механизм действия ИЗ на организм имеет резонансную природу. Внутренние органы человека имеют собственную частоту колебаний. При воздействии ИЗ с частотой, равной собственной, возникает резонанс, который и вызывает указанные неприятные ощущения, а в некоторых случаях может привести к тяжелым последствиям: остановке сердца или разрыву кровеносных сосудов.

Частота собственных колебаний тела человека в положении лежа – (3 – 4 Гц), стоя – (5 – 12 Гц), грудной клетки – (5 –8 Гц), брюшной полости – (3 – 4 Гц) и других органов соответствуют частоте ИЗ.

Физиологическими характеристиками звука называют субъективные характеристики слухового ощущения звука слуховым аппаратом человека. К физиологическим характеристикам звука относится минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости и порог болевого ощущения, громкость, высота, тембр звука.

Минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком . Частоты звуковыхколебаний лежат в пределах 20-20000 Гц. Однако наименьшая воспринимаемая частота данным человеком обычно больше 20 Гц, а наибольшая - меньше 20000 Гц, что определяется индивидуальными особенностями строения слухового аппарата человека. Например:  мин =32 Гц,  макс =17900 Гц .

Порогом слышимости называется воспринимаемая человеческим ухом минимальная интенсивность I o . Считается, что I o =10 -12 Вт/м 2 при  =1000 Гц . Однако обычно для конкретного человека порог слышимости больше I o .

Порог слышимости зависит от частоты звукового колебания. На какой-то частоте (обычно 1000-3000 Гц) в зависимости от длины слухового канала слухового аппарата человека происходит резонансное усиление звука в человеческом ухе. При этом ощущение звука будет наилучшим, а порог слышимости будет минимальным. При уменьшении или увеличении частоты колебаний условие резонанса ухудшается (удаление по частоте от резонансной частоты) и порог слышимости соответственно повышается.

3. Порогом болевого ощущения называется испытываемое человеческим ухом болевое ощущение при интенсивностях звука выше некоторого значения I пор (звуковая волна при этом как звук не ощущается). Порог болевого ощущения I пор зависит от частоты (хотя и в меньшей степени, чем порог слышимости). На низких и высоких частотах порог болевого ощущения снижается, т.е. болевые ощущения наблюдаются при больших интенсивностях.

4. Громкостью звука называется уровень слухового ощущения человеком данного звука. Громкость зависит, прежде всего, от человека, воспринимающего звук. Например, при достаточной интенсивности на частоте 1000 Гц громкость может быть равна и нулю (для глухого человека).

Для данного конкретного человека, воспринимающего звук, громкость зависит от частоты, интенсивности звука. Как и для порога слышимости, громкость максимальна обычно на частоте 1-3 кГц, а с уменьшением или увеличением частоты громкость снижается.

Громкость звука зависит от интенсивности звука сложным образом. В соответствии с психофизическим законом Вебера-Фехнера громкость Е прямо пропорциональна уровню интенсивности:

E = k . lg(I/I 0 ), где k зависит от частоты и интенсивности звука.

Громкость звука измеряют в фонах . Считается, что громкость в фонах численно равна уровню интенсивности в децибелах на частоте 1000 Гц . Например, громкость звука Е=30 фон ; это означает, что данный человек по уровню восприятия ощущает указанный звук так же, как и звук, частотой 1000 Гц и уровнем силы звука 30 дБ . Графически (см. учебник) строят кривые равной громкости, которые индивидуальны для каждого конкретного человека.

С целью диагностики состояния слухового аппарата человека с помощью аудиометра снимают аудиограмму - зависимость порога слышимости от частоты.

5. Высотой звука называется ощущения человеком чистого тона. С повышением частоты увеличивается и высота тона. С повышением интенсивности высота тона незначительно снижается.

6. Тембром звука называется ощущение человеком данного сложного звукового колебания. Тембр звука - это окраска звука, по которой мы различаем голос того или иного человека. Тембр зависит от акустического спектра звука. Однако один и тот же акустический спектр воспринимается различными людьми по-разному. Так, если слуховой аппарат у двух человек поменять друг другу, а мозговой анализатор звука оставить тем же, то окраска звука от знакомых ему людей будет казаться другой, т.е. он может и не узнать голос знакомого человека или голос покажется измененным.