Glavna fiziološka značilnost zvoka. Fizikalne in fiziološke značilnosti hrupa, regulacija

Fizikalne lastnosti akustičnih in še posebej zvočnih valov so objektivne narave in jih je mogoče meriti z ustreznimi instrumenti v standardnih enotah. Slušni občutek, ki nastane pod vplivom zvočnih valov, je subjektiven, vendar njegove značilnosti v veliki meri določajo parametri fizičnega vpliva.

  • 7. Akustika

Hitrost zvočnega valovanja v ki jih določajo lastnosti medija, v katerem se širijo – njegov modul elastičnosti E in gostota p:

Hitrost zvoka v zraku znaša približno 340 m/s in je odvisna od temperature (gostota zraka se spreminja s spremembo temperature). V tekočih medijih in v mehkih tkivih telesa je ta hitrost približno 1500 m / s, v trdnih snoveh - 3000-6000 m / s.

Formula (7.1), ki določa hitrost širjenja zvočnih valov, ne vključuje njihove frekvence, zato imajo zvočni valovi različnih frekvenc v istem mediju skoraj enako hitrost. Izjema so valovi takih frekvenc, za katere je značilna močna absorpcija v danem mediju. Običajno te frekvence ležijo izven zvočnega območja (ultrazvok).

Če zvočne vibracije predstavljajo periodično

riž. 7.1.

proces, se takšni zvoki imenujejo tone ali glasbeni zvoki. Imajo diskreten harmonski spekter, ki predstavlja niz harmonikov z določenimi frekvencami in amplitudami. Prvi harmonik frekvence w se imenuje osnovni ton, in harmoniki višjih redov (s frekvencami 2co, 3co, 4co itd.) - prizvoki. čisto(ali preprosto) ton ustreza zvočnim nihanjem, ki imajo samo eno frekvenco. Na sl. Slika 7.1 prikazuje spekter kompleksnega tona, v katerem so zastopane štiri harmonične komponente: 100, 200, 300 in 400 Hz. Vrednost amplitude osnovnega tona je 100 %.

Neperiodični zvoki, imenovani zvoki imajo zvezen akustični spekter (slika 7.2). Povzročajo jih procesi, pri katerih se amplituda in frekvenca zvočnih nihanj spreminjata skozi čas (tresenje delov stroja, šelestenje ipd.).

riž. 7.2.

Jakost zvoka I, kot smo že omenili, je energija zvočnega valovanja na mesto enote površine na enoto časa in se meri v W/m 2.

Ta fizična značilnost določa raven slušnega občutka, ki se imenuje glasnost in je subjektivni fiziološki parameter. Razmerje med intenzivnostjo in glasnostjo ni premosorazmerno. Zaenkrat ugotavljamo le, da se z naraščanjem intenzivnosti povečuje tudi občutek glasnosti. Glasnost je mogoče kvantificirati s primerjavo slušnih občutkov, ki jih povzročajo zvočni valovi iz virov različnih jakosti.

Ko se zvok širi v mediju, nastane dodaten pritisk, ki se premika od vira zvoka do sprejemnika. Velikost tega zvočni tlak P predstavlja tudi fizikalne lastnosti zvoka in medija njegovega širjenja. Povezano je z intenzivnostjo. jaz razmerje

kjer je p gostota medija; in je hitrost širjenja zvoka v mediju.

vrednost Z - ri klical specifična zvočna impedanca oz specifična zvočna impedanca.

Frekvenca zvočnih harmoničnih nihanj določa tisto stran zvočnega občutka, ki se imenuje višina zvoka.Če so zvočne vibracije periodične, vendar ne sledijo harmoničnemu zakonu, potem uho oceni višino frekvence osnovnega tona (prva harmonična komponenta v Fourierjevem nizu), katere obdobje sovpada z obdobjem kompleksen zvočni učinek.

Upoštevajte, da je možnost ocenjevanja višine zvoka človeškega slušnega aparata povezana s trajanjem zvoka. Če je čas osvetlitve krajši od 1/20 s, potem uho ne more oceniti višine.

Zvočne vibracije blizu frekvence ob hkratnem sondiranju zaznamo kot zvoke različnih višin, če relativna frekvenčna razlika presega 2-3 %. Z manjšo frekvenčno razliko je občutek neprekinjenega zvoka srednje višine.

Spektralna sestava zvočnih vibracij (glej sliko 7.1) je določena s številom harmoničnih komponent in razmerjem njihovih amplitud ter označuje tember zvok. Timber kot fiziološka značilnost slušnega občutka je v določeni meri odvisen tudi od hitrosti naraščanja in variabilnosti zvoka.

Hrup- to je niz zvokov različne intenzivnosti in višine, ki se naključno spreminjajo v času in povzročajo neprijetne subjektivne občutke pri delavcih. S fiziološkega vidika je hrup vsak nezaželen zvok, ki moti zaznavanje koristnih zvokov v obliki produkcijskih signalov in govora.

Hrup kot fizikalni dejavnik je valovito mehansko nihajno gibanje elastičnega medija (zraka), ki ima praviloma naključen naključni značaj. V tem primeru je njegov vir vsako nihajoče telo, ki ga zunanja sila spravi iz stabilnega stanja.


Imenuje se narava širjenja nihajnega gibanja v mediju zvočni val, in območje okolja, v katerem se širi - zvočno polje.

Zvok predstavlja nihajno gibanje elastičnega medija, ki ga zaznava naš organ sluha. Gibanje zvočnega valovanja v zraku spremlja občasno povečanje in zmanjšanje tlaka. Imenuje se periodično povečanje zračnega tlaka v primerjavi z atmosferskim tlakom v nemotenem mediju zvočni tlak. Večji kot je pritisk, močnejša je draženje organa sluha in občutek glasnosti zvoka. V akustiki se zvočni tlak meri v N/m2 ali Pa. Za zvočno valovanje je značilna frekvenca f, Hz, jakost zvoka jaz W/m 2 zvočne moči W, tor Hitrost širjenja zvočnih valov v ozračju pri 20 °C in normalnem atmosferskem tlaku je 344 m/s. Hitrost zvoka ni odvisna od frekvence zvočnih nihanj in je konstantna vrednost pri konstantnih parametrih medija. S povišanjem temperature zraka za 1 °C se hitrost zvoka poveča za približno 0,71 m/s.

Človeški slušni organi zaznavajo zvočne vibracije v frekvenčnem območju od 16 do 20.000 Hz, območje največje slušne občutljivosti je v območju 50-5000 Hz. Vibracije s frekvenco do 16 Hz (infrazvok) in nad 20.000 Hz (ultrazvok) človeško uho ne zazna.

Intenzivnost hrupa (zvoka) se meri tako v celotnem frekvenčnem območju (skupna zvočna energija), kot v določenem območju frekvenčnega pasu - znotraj oktav.

oktava- to je frekvenčno območje, v katerem je zgornja frekvenčna meja dvakrat višja od spodnje (na primer 40-80, 80-160 Hz). Vendar pa za označevanje oktave običajno ni navedeno frekvenčno območje, temveč ti geometrična sredina frekvenc, ki označujejo trak kot celoto in so določeni s formulo

kjer f 1 in f 2 - najnižja in najvišja frekvenca, Hz.

Torej, za oktavo 40-80 Hz je geometrična povprečna frekvenca 62,5 Hz; za oktavo 80-160 Hz - 125 Hz itd.

Pri akustičnih meritvah se jakost določa v frekvenčnih pasovih, ki so enaki oktavi, pol oktave in tretjini oktave.


Geometrične srednje frekvence oktavnih pasov so standardizirane in za sanitarno higiensko oceno hrupa znašajo 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Hz.

Najmanjša količina zvoka, ki jo lahko slišimo z ušesom, se imenuje slušni prag(I 0 \u003d 10 -12 W / m 2), ustreza zvočnemu tlaku P 0 = 2-Yu "5 Pa.

Prag bolečine se pojavi pri jakosti zvoka, ki je enaka 10 2 W / m 2, ustrezen zvočni tlak pa je 2 * 10 2 Pa. Kot lahko vidite, so spremembe v zvočnem tlaku slišnih zvokov ogromne in znašajo približno 10 7-krat. Zato se za lažje merjenje in sanitarno-higiensko standardizacijo jakosti zvoka in zvočnega tlaka ne vzamejo absolutne fizične, ampak relativne enote, ki so logaritmi razmerij teh količin do pogojne ničelne ravni, ki ustreza pragu sluha standardni ton s frekvenco 1000 Hz.

Stopnja zvočne jakosti L, dB, določen s formulo

kje jaz- jakost zvoka, W/m 2 ; I 0 - jakost zvoka, vzeta kot prag sluha, enaka 10 -12 W/m 2 . Ker je jakost zvoka sorazmerna s kvadratom zvočnega tlaka, lahko to formulo zapišemo kot

Ti logaritmi razmerij se imenujejo oz stopnje jakosti zvoka ali pogosteje ravni zvočnega tlaka se izražajo v belah(B).

Poleg tega se za sanitarno in higiensko oceno vpliva hrupa na človeško telo uporablja indikator, kot je raven zvoka, določena na lestvici A merilnika ravni zvoka z dimenzijo v dBA.

Ker je človeški slušni organ sposoben razlikovati spremembo jakosti zvoka za 0,1 B, je za praktično uporabo primerneje imeti enoto 10-krat manjšo - decibel(dB).


Uporaba lestvice decibelov je zelo priročna, saj se celoten ogromen obseg slišnih zvokov prilega manj kot 140 dB. Pri izpostavljenosti zvoku nad 140 dB sta možna bolečina in pokanje bobniča.

V proizvodnih pogojih se praviloma pojavljajo hrupi različne intenzivnosti in frekvence, ki nastanejo kot posledica delovanja različnih mehanizmov, enot in drugih naprav.

Proizvodni hrup, ki je kompleksen zvok, je mogoče razstaviti na preproste komponente, katerih grafični prikaz imenujemo spekter(slika 2.4). Je kombinacija osmih stopenj zvočnega tlaka pri vseh geometričnih srednjih frekvencah. Znak je lahko drugačen glede na prevladujoče frekvence.

riž. 2.4. Glavne vrste spektrov hrupa: a - diskretna (linearna); b- trdna; v - mešano

Če so v tem nizu predstavljene normativne vrednosti ravni zvočnega tlaka, se imenuje mejni spekter(PS). Vsak mejni spekter ima svoj indeks, na primer PS-80, kjer je 80 standardna raven zvočnega tlaka (dB) v oktavnem pasu. z f = 1000 Hz.

V skladu z GOST 12.1.003 je hrup razvrščen po naslednjih merilih:

♦ po naravi spektra: širokopasovni dostop, z zveznim spektrom, širokim več kot eno oktavo; tonski, v spektru katerih so slišni toni. Tonski značaj je določen s presežkom ravni hrupa v enem pasu nad sosednjimi tretjinsko oktavnimi pasovi za najmanj 10 dB;


♦ po časovnih značilnostih: konstantna in nestanoviten;

♦ šum se razlikuje po frekvenčnem odzivu nizko, srednje in visoka frekvenca, z mejami 16-350, 350-800 in nad 800 Hz.

Intermitentne zvoke delimo na:

♦ naprej nihanje v času katerega raven zvoka se skozi čas stalno spreminja;

♦ občasno, katerega raven hrupa se spreminja v korakih (za 5 dBA ali več) in trajanje intervalov, med katerimi ostane raven konstantna, je 1 s ali več;

♦ impulz, sestavljen iz enega ali več zvočnih signalov, od katerih vsak traja manj kot 1 s, pri čemer se ravni zvoka razlikujejo za najmanj 7 dB.

Določitev hrupa v decibelih znotraj frekvenc ni vedno zadostna. Znano je, da zvoke enake intenzivnosti, vendar različnih frekvenc, uho zazna kot neenako glasne. Zvoki, ki imajo nizko ali zelo visoko frekvenco (blizu zgornje meje zaznanih frekvenc), so zaznani kot tišji v primerjavi z zvoki, ki so v srednjem območju. Zato se za primerjavo zvokov različne frekvenčne sestave glede na njihovo glasnost uporabljajo enote glasnosti - ozadja in spati.

Enota za primerjavo se običajno vzame kot zvok s frekvenco 1000 Hz. V mednarodnih priporočilih v zadnjih letih je bil kot standard sprejet zvok s frekvenco 2000 Hz.

Raven glasnosti hrupa(zvok) je raven moči zvoka, ki je enak temu hrupu s frekvenco nihanja 1000 Hz, pri čemer je raven zvočne moči v decibelih pogojno vzeta kot raven glasnosti v fonih. Eno ozadje je glasnost zvoka pri 1000 Hz in jakosti 1 dB. Pri 1000 Hz so ravni glasnosti enake ravnem zvočnega tlaka. Na primer, zvok s frekvenco nihanja 100 Hz in jakostjo 50 dB je zaznan kot enak zvoku s frekvenco nihanja 1000 Hz in jakostjo 20 dB (20 fonov). Pri nizkih glasnostih in nizkih frekvencah so odstopanja med jakostjo zvoka v decibelih in stopnjo glasnosti pri fonih največja. Ko se glasnost in frekvenca povečata, se ta razlika zgladi.


riž. 2.5. Krivulje enake glasnosti zvokov

Na sl. 2.5 prikazuje enake krivulje glasnosti, ki označujejo ravni glasnosti v območju ušesa. Vidimo, da ima človeški slušni organ največjo občutljivost pri 800-4000 Hz, najmanjšo pa pri 20-100 Hz.

Poleg ocenjevanja glasnosti hrupa v ozadju se uporablja tudi druga enota glasnosti - spanje, ki bolj jasno odraža spremembo subjektivno zaznane glasnosti in vam omogoča, da ugotovite, kolikokrat je en zvok glasnejši od drugega. S povečanjem glasnosti za 10 ozadij se raven glasnosti pri sinovih poveča za 2-krat.

Lestvica glasnosti v sanjah vam omogoča, da ugotovite, kolikokrat se je glasnost hrupa zmanjšala po uvedbi določenih ukrepov za boj proti njemu oziroma kolikokrat je hrup na enem delovnem mestu močnejši od hrupa na drugem.

S hkratnim širjenjem več zvočnih valov je možno povečati ali zmanjšati glasnost hrupa zaradi interferenčnih pojavov.

Vibracije- to so mehanska nihanja in valovanja v trdnih telesih oziroma natančneje so to mehanska, največkrat sinusna nihanja, ki se pojavljajo v strojih in napravah.


Glede na način vpliva na človeka delimo vibracije na splošno, prenašajo preko podpornih površin na telo sedeče ali stoječe osebe in lokalni prenaša preko človeških rok.

Splošne vibracije, odvisno od vira njihovega nastanka, delimo v tri kategorije:

♦ transport: vpliva na upravljavce mobilnih strojev in vozil med njihovim premikanjem (1. kategorija);

♦ prometno-tehnološki: z omejenim gibanjem le na posebej pripravljenih površinah industrijskih prostorov (2. kategorija);

♦ tehnološki: vpliva na upravljavce stacionarnih strojev ali se prenaša na delovna mesta, ki nimajo virov vibracij (3. kategorija).

♦ na stalnih delovnih mestih industrijskih prostorov;

♦ na delovnih mestih v skladiščih, menzah, gostinskih, dežurnih in drugih pomožnih proizvodnih prostorih, kjer ni strojev in mehanizmov, ki ustvarjajo vibracije;

♦ na delovnih mestih v upravnih in servisnih prostorih obratovodstva, projektantskih birojev, laboratorijev, izobraževalnih centrov, računalniških centrov, zdravstvenih domov, pisarniških prostorov, delovnih sob in drugih prostorov za umske delavce.

Splošnim vibracijam so najpogosteje izpostavljeni transportni delavci, operaterji močnih orodij, stiskalnic itd.

Osnovni fizikalni parametri vibracij: frekvenca f, Hz; amplituda nihanja A, m; hitrost nihanja V, gospa; nihajni pospešek a, m/s 2 .

Glede na naravo spektra delimo vibracije na:

♦ do ozkopasovnega z lociranim frekvenčnim spektrom
v ozkem pasu. Hkrati je raven nadzorovane pare
metrov v oktavnem frekvenčnem pasu za več kot 15 dB nad
brez vrednosti v sosednjih pasovih ene tretjine oktave;

♦ širokopasovne povezave s frekvenčnim spektrom, ki se nahaja
širok pas (širok več kot eno oktavo).


Glede na časovne značilnosti delimo vibracije na:

♦ naprej trajno, pri katerem se spektralni ali frekvenčno popravljen normalizirani parameter v času opazovanja (vsaj 10 minut ali čas tehnološkega cikla) ​​ne spremeni za več kot 2-krat (6 dB), merjen s časovno konstanto 1 s;

♦ nestanoviten, pri katerem se spektralni ali frekvenčno popravljen normalizirani parameter v času opazovanja (vsaj 10 min ali čas tehnološkega cikla) ​​spremeni za več kot 2-krat (6 dB), merjen s časovno konstanto 1 s.

Intermitentna vibracija je:

♦ kolebanje v času, za katerega se vrednost normaliziranega parametra stalno spreminja v času;

♦ občasno ko je vpliv vibracij na osebo prekinjen in trajanje intervalov, v katerih delujejo vibracije, je več kot 1 s;

♦ impulz, sestavljen iz enega ali več vibracijskih udarcev (udarcev), od katerih vsak traja manj kot 1 s.

Lokalnim vibracijam so izpostavljene predvsem osebe, ki delajo z ročnim mehaniziranim električnim ali pnevmatskim orodjem.

Tako kot pri hrupu lahko celoten spekter frekvenc tresljajev, ki jih človek zazna, razdelimo na oktavne in tretjinsko oktavne frekvenčne pasove z geometrično srednjo frekvenco oktavnih pasov 1; 2; štiri; osem; 16; 32; 63; 125; 250; 500; 1000 in 2000 Hz.

Vrednost V0\u003d 510 -8 m / s, kar ustreza srednji kvadratni hitrosti vibracij pri standardnem pragu zvočnega tlaka 2·10 -5 Pa, čeprav je prag zaznavanja vibracij za osebo veliko višji in enak 10 -4 m / s. Kot vrednost se vzame ničelna raven oscilacijskega pospeška a = 3-10 -4 m/s 2 . Pri oscilacijski hitrosti 1 m/s človek občuti bolečino.

Ker se absolutne vrednosti parametrov, ki označujejo vibracije, razlikujejo v zelo širokem razponu, je bolj priročno meriti nerealne vrednosti


teh parametrov in logaritme njihovih razmerij do mejnih.

Raven hitrosti vibracij L v, dB, določen s formulo

kje V- dejanska vrednost hitrosti nihanja, m/s; V0- mejna vrednost hitrosti nihanja (510 -8 m/s).

Spektri nivojev vibracijske hitrosti so glavne značilnosti vibracij; lahko so, tako kot pri šumu, diskretni, zvezni in mešani.

SanPiN 2.2.4/2.1.8.10-33-2002 podaja razmerje med stopnjami hitrosti vibracij v decibelih in njenimi vrednostmi v metrih na sekundo ter med logaritemskimi stopnjami pospeška vibracij v decibelih in njihovimi vrednostmi. v metrih na sekundo na kvadrat.

2.4.2. Vpliv hrup, vibracije in druga nihanja v človeškem telesu

Hrup in tresljaji lahko v večji ali manjši meri začasno aktivirajo ali trajno zavrejo določene duševne procese v človeškem telesu. Fiziopatološke posledice se lahko manifestirajo v obliki kršitve funkcij sluha in drugih analizatorjev, na primer vestibularnega aparata, ki usklajuje funkcije možganske skorje, živčnega ali prebavnega sistema in cirkulacijskega sistema. Poleg tega hrup vpliva na presnovo ogljikovih hidratov, maščob in beljakovin v telesu.

Zvoki različnih frekvenc, tudi z enako intenzivnostjo, se zaznavajo različno. Nizkofrekvenčne zvoke zaznavamo kot razmeroma tihe, a z večanjem njihove frekvence se glasnost zaznave povečuje, ko se približujejo zgornji visokofrekvenčni meji zvočnega spektra, glasnost zaznave spet upada.

Območje slušnega zaznavanja, ki je na voljo človeškemu ušesu, je omejeno s pragoma sluha in občutka bolečine (slika 2.6). Meje teh pragov, odvisno od


riž. 2.6. Področje slušnega zaznavanja: P - govor; M - glasba; C - prag sluha; B - prag bolečine

ti se bistveno spreminjajo s frekvenco. To pojasnjuje, da so visokofrekvenčni zvoki za človeka bolj neprijetni kot nizkofrekvenčni (pri enaki ravni zvočnega tlaka).

Poklicni hrup različnih jakosti in spektra, ki dolgotrajno prizadene delavce, lahko pri slednjih sčasoma privede do zmanjšanja ostrine sluha, včasih pa tudi do razvoja poklicne naglušnosti. Ugotovljeno je, da do izgube sluha največkrat pride pri izpostavljenosti hrupu v frekvenčnem območju 3000-6000 Hz, pri frekvenci 1000-2000 Hz pa je motena razumljivost govora. Največja naglušnost delavcev je opažena v prvih desetih letih dela, s starostjo pa se ta nevarnost povečuje.

Vibracije vplivajo na centralni živčni sistem (CŽS), prebavila, ravnotežne organe (vestibularni aparat), povzročajo vrtoglavico, odrevenelost okončin, bolezni sklepov. Dolgotrajna izpostavljenost vibracijam vodi v poklicno bolezen - vibracijska bolezen, učinkovito zdravljenje


riž. 2.7. Vrste učinkov vibracij na človeško telo

kar je možno le v zgodnjih fazah, obnova okvarjenih funkcij pa je izjemno počasna, pod določenimi pogoji pa se lahko v telesu pojavijo nepopravljivi procesi, ki jih spremlja popolna izguba sposobnosti za delo.

Na sl. 2.7 povzema vpliv vibracij na človeško telo.

Poleg škodljivih učinkov na človeško telo vibracije vodijo do uničenja zgradb, objektov, komunikacij, okvare opreme. Prav tako negativno vpliva na zmanjšanje učinkovitosti delujočih strojev in mehanizmov, prezgodnjo obrabo vrtljivih delov zaradi njihove neuravnoteženosti, znižanje natančnosti kontrolnih in merilnih instrumentov (CIP), motnje v delovanju avtomatskih krmilnih sistemov itd.

z infrazvokom Običajno imenujemo vibracije, ki se širijo v zraku s frekvenco pod 16 Hz. Nizka frekvenca infrazvočnih nihanj določa številne značilnosti njegovega širjenja v okolju. Zaradi velike valovne dolžine se infrazvočne vibracije manj absorbirajo v ozračju in lažje obidejo ovire kot vibracije z višjo frekvenco. To pojasnjuje sposobnost infrazvoka, da se širi na velike razdalje z majhno izgubo energije. Zato so standardni ukrepi za boj proti hrupu v tem primeru neučinkoviti.


Pod vplivom infrazvoka vibrirajo veliki elementi gradbenih konstrukcij, zaradi resonančnih učinkov in vzbujanja sekundarno induciranega šuma v zvočnem območju pa lahko v nekaterih prostorih pride do ojačanja infrazvoka.

Viri infrazvoka so lahko kopenski, zračni in vodni promet, nihanje tlaka v mešanicah plina in zraka (šobe velikega premera) itd.

Kompresorji so najbolj značilen in razširjen vir nizkih akustičnih tresljajev. Ugotovljeno je, da je hrup kompresorjev nizkofrekvenčen s prevlado infrazvoka, v kabinah operaterjev pa postane infrazvok bolj izrazit zaradi dušenja visokofrekvenčnega hrupa.

Močni prezračevalni in klimatski sistemi so prav tako viri infrazvočnih vibracij. Najvišje ravni njihovega zvočnega tlaka dosežejo 106 dB pri 20 Hz, 98 dB pri 4 Hz, 85 dB pri 2 in 8 Hz.

V frekvenčnem območju 16-30 Hz je prag zaznave infrazvočnih vibracij za slušni analizator 80-120 dBA, prag bolečine pa 130-140 dBA.

Vpliv infrazvoka na človeka zaznamo kot fizično obremenitev: motena je orientacija v prostoru, morska bolezen, prebavne motnje, motnje vida, vrtoglavica, periferna cirkulacija. Stopnja izpostavljenosti je odvisna od frekvenčnega območja, ravni zvočnega tlaka in trajanja izpostavljenosti. Vibracije pri 7 Hz motijo ​​koncentracijo in povzročajo utrujenost, glavobole in slabost. Najbolj nevarna nihanja s frekvenco 8 Hz. Povzročijo lahko pojav resonance krvožilnega sistema, ki vodi do preobremenitve srčne mišice, srčnega infarkta ali celo do pokanja nekaterih krvnih žil. Infrazvok nizke intenzivnosti lahko povzroči povečano živčnost, povzroči depresijo.

Ultrazvočna oprema in tehnologije se pogosto uporabljajo v različnih vejah človeške dejavnosti z namenom aktivnega vpliva na snovi (spajkanje,


varjenje, kositranje, strojna obdelava, razmaščevanje delov itd.); strukturna analiza in kontrola fizikalnih in mehanskih lastnosti snovi in ​​materialov (defektoskopija); za obdelavo in prenos radarskih in računalniških signalov; v medicini - za diagnostiko in zdravljenje različnih bolezni z uporabo zvočnega slikanja, rezanja in spajanja bioloških tkiv, sterilizacije instrumentov, rok itd.

Ultrazvočne naprave z delovnimi frekvencami 20-30 kHz se pogosto uporabljajo v industriji. Najpogostejši nivoji zvočnega in ultrazvočnega tlaka na delovnih mestih v proizvodnji so 90-120 dB.

ultrazvok običajno se upoštevajo nihanja nad 20 kHz, ki se širijo tako v zraku kot v tekočih in trdnih medijih. V industrijski sanitariji se razlikujejo kontaktne in zračne vrste ultrazvoka (San-PiN 9-87-98 in SanPiN 9-88-98).

kontaktni ultrazvok- to je ultrazvok, ki se prenaša, ko pridejo roke ali drugi deli človeškega telesa v stik z njegovim virom, obdelovanci, napravami za njihovo držanje, zvočenimi tekočinami, skenerji medicinske ultrazvočne opreme, iskalnimi glavami ultrazvočnih detektorjev napak itd.

ultrazvok zraka so ultrazvočne vibracije v zraku.

Iz teh definicij izhaja, da se ultrazvok prenaša na človeka ob stiku z zrakom, vodo ali neposredno z vibrirajoče površine (orodja, stroji, aparati in drugi možni viri).

Mejne vrednosti za slušno zaznavanje visokofrekvenčnih zvokov in ultrazvokov so pri frekvenci 20 kHz - 110 dB, 30 kHz - do 115 dB in 40 kHz - do 130 dB. Običajno je ultrazvočno območje razdeljeno na nizkofrekvenčno - 1,1210 4 -1,0 10 5 Hz, ki se širi po zraku in stiku, in visokofrekvenčno - 1,0 10 5 -1,0 10 9, ki se širi samo s stikom.

Visokofrekvenčni ultrazvok se praktično ne širi po zraku in lahko vpliva na delavce predvsem takrat, ko vir ultrazvoka pride v stik z odprto površino telesa.


Nizkofrekvenčni ultrazvok, nasprotno, ima splošen učinek na delavce po zraku in lokalni zaradi stika rok z obdelovanci, v katerih se vzbujajo ultrazvočne vibracije.

Ultrazvočne vibracije neposredno na izvoru njihovega nastanka se širijo v smeri, vendar se že na majhni razdalji od vira (25-50 cm) spremenijo v koncentrične valove, ki napolnijo celotno delovno sobo z ultrazvokom in visokofrekvenčnim šumom.

Ultrazvok ima pomemben vpliv na človeško telo. Kot smo že omenili, se ultrazvok lahko širi v vseh medijih: plinastih, tekočih in trdnih. Zato v človeškem telesu ne vpliva le na dejanske organe in tkiva, temveč tudi na celične in druge tekočine. Ultrazvok pri širjenju v tekočem mediju povzroči kavitacijo te tekočine, to je nastanek v njej drobnih praznih mehurčkov, napolnjenih s hlapi te tekočine in v njej raztopljenih snovi ter njihovo stiskanje (kolaps). Ta proces spremlja nastanek hrupa.

Pri delu na močnih ultrazvočnih enotah se operaterji pritožujejo nad glavoboli, ki praviloma izginejo, ko se delo ustavi; hitra utrujenost; motnje nočnega spanja; občutek neustavljive zaspanosti čez dan; oslabitev vida, občutek pritiska na zrkla; slab apetit; stalna suhost v ustih in togost jezika; bolečine v trebuhu itd.

Zvoki prinašajo človeku pomembne informacije - z njihovo pomočjo komuniciramo, poslušamo glasbo in prepoznavamo znane ljudi po glasu. Svet zvokov okoli nas je raznolik in zapleten, vendar se v njem zlahka orientiramo in lahko natančno ločimo ptičje petje od hrupa mestne ulice.

  • Zvočni val- elastični vzdolžni val, ki povzroča slušne občutke pri osebi. Vibracije vira zvoka (na primer strune ali glasilke) povzročijo nastanek longitudinalnih valov. Ko zvočni valovi dosežejo človeško uho, povzročijo, da bobnič izvaja prisilna nihanja s frekvenco, ki je enaka frekvenci nihanja vira. Več kot 20.000 končičev filamentnih receptorjev v notranjem ušesu pretvarja mehanske vibracije v električne impulze. Ko se impulzi prenašajo po živčnih vlaknih v možgane, ima oseba določene slušne občutke.

Tako se med širjenjem zvočnega valovanja spremenijo lastnosti medija, kot sta tlak in gostota.

Zvočni valovi, ki jih zaznavajo slušni organi, povzročajo zvočne občutke.

Zvočni valovi so razvrščeni po frekvenci na naslednji način:

  • infrazvok (ν < 16 Гц);
  • človeški slišni zvok(16 Hz< ν < 20000 Гц);
  • ultrazvok(ν > 20000 Hz);
  • hiperzvok(10 9 Hz< ν < 10 12 -10 13 Гц).

Človek ne sliši infrazvoka, ampak te zvoke nekako zaznava. Ker so na primer poskusi pokazali, da infrazvok povzroča neprijetne moteče občutke.

Mnoge živali lahko zaznavajo ultrazvočne frekvence. Psi lahko na primer slišijo zvoke do 50.000 Hz, netopirji pa do 100.000 Hz. Infrazvok, ki se v vodi širi na stotine kilometrov, pomaga kitom in številnim drugim morskim živalim pri krmarjenju v vodnem stolpcu.

Fizikalne lastnosti zvoka

Ena najpomembnejših značilnosti zvočnih valov je spekter.

  • spekter Niz različnih frekvenc, ki tvorijo določen zvočni signal, se imenuje. Spekter je lahko zvezen ali diskreten.

zvezni spekter pomeni, da ta niz vsebuje valove, katerih frekvence zapolnjujejo celotno določeno spektralno območje.

Diskretni spekter pomeni prisotnost končnega števila valov z določenimi frekvencami in amplitudami, ki tvorijo obravnavani signal.

Glede na vrsto spektra delimo zvoke na šume in glasbene tone.

  • Hrup- niz številnih različnih kratkotrajnih zvokov (škrtanje, šelestenje, šelestenje, trkanje itd.) - je prekrivanje velikega števila nihanj s podobnimi amplitudami, vendar različnimi frekvencami (ima zvezen spekter). Z razvojem industrije se je pojavil nov problem – boj proti hrupu. Pojavil se je celo nov koncept "obremenitev okolja s hrupom". Hrup, zlasti visoke intenzivnosti, ni le moteč in utrujajoč – lahko tudi resno ogrozi zdravje.
  • glasbeni ton nastane s periodičnim nihanjem zvenečega telesa (katonske vilice, strune) in je harmonično nihanje ene frekvence.

S pomočjo glasbenih tonov se ustvari glasbena abeceda – note (do, re, mi, fa, sol, la, si), ki omogočajo igranje iste melodije na različnih glasbilih.

  • glasbeni zvok(konsonanca) - rezultat nalaganja več istočasno zvenečih glasbenih tonov, iz katerih je mogoče izbrati glavni ton, ki ustreza najnižji frekvenci. Osnovni ton imenujemo tudi prvi harmonik. Vse druge tone imenujemo prizvoki. Za prizvoke pravimo, da so harmonični, če so frekvence prizvokov večkratne frekvence osnovnega tona. Tako ima glasbeni zvok diskreten spekter.

Za vsak zvok je poleg frekvence značilna tudi intenzivnost. Tako lahko reaktivno letalo ustvari zvok z intenzivnostjo približno 10 3 W / m 2, močni ojačevalniki na koncertu v zaprti sobi - do 1 W / m 2, vlak podzemne železnice - približno 10 -2 W / m 2 .

Da povzroči zvočne občutke, mora imeti val določeno minimalno intenzivnost, imenovano prag sluha. Intenzivnost zvočnega valovanja, pri kateri se pojavi občutek pritiskajoče bolečine, imenujemo bolečinski prag ali prag bolečine.

Intenzivnost zvoka, ki ga zajame človeško uho, je v širokem razponu: od 10–12 W/m 2 (prag sluha) do 1 W/m 2 (prag bolečine). Oseba lahko sliši močnejše zvoke, hkrati pa bo občutila bolečino.

Raven jakosti zvoka L določeno na lestvici, katere enota je bel (B) ali pogosteje decibel (dB) (ena desetina bele). 1B je najšibkejši zvok, ki ga naše uho zazna. Ta enota je poimenovana po izumitelju telefona Alexandru Bellu. Merjenje stopnje jakosti v decibelih je preprostejše in zato sprejeto v fiziki in tehniki.

Stopnja intenzivnosti L katerega koli zvoka v decibelih se izračuna preko jakosti zvoka po formuli

\(L=10\cdot lg\levo(\frac(I)(I_0)\desno),\)

kje jaz- jakost danega zvoka, jaz 0 - intenzivnost, ki ustreza pragu sluha.

Tabela 1 prikazuje stopnjo jakosti različnih zvokov. Tisti, ki so med delom izpostavljeni hrupu nad 100 dB, naj uporabljajo slušalke.

Tabela 1

Stopnja intenzivnosti ( L) zvoki

Fiziološke značilnosti zvoka

Fizične značilnosti zvoka ustrezajo določenim fiziološkim (subjektivnim) značilnostim, povezanim z zaznavanjem zvoka s strani določene osebe. To je posledica dejstva, da zaznavanje zvoka ni samo fizični proces, ampak tudi fiziološki. Človeško uho zaznava zvočne vibracije določenih frekvenc in jakosti (to so objektivne, od človeka neodvisne značilnosti zvoka) na različne načine, odvisno od »lastnosti sprejemnika« (tu vplivajo subjektivne individualne lastnosti vsakega človeka).

Glavne subjektivne značilnosti zvoka lahko štejemo za glasnost, višino in tember.

  • Glasnost(stopnjo slišnosti zvoka) določata tako jakost zvoka (amplituda nihanj v zvočnem valovanju) kot tudi različna občutljivost človeškega ušesa pri različnih frekvencah. Človeško uho je najbolj občutljivo v frekvenčnem območju od 1000 do 5000 Hz. Ko se intenzivnost poveča za 10-krat, se glasnost poveča za 10 dB. Posledično je zvok 50 dB 100-krat intenzivnejši od zvoka 30 dB.
  • Višina tona določa frekvenca zvočnih nihanj, ki imajo največjo intenzivnost v spektru.
  • tember(odtenek zvoka) je odvisen od tega, koliko prizvokov je vezanih na osnovni ton in kakšna je njihova intenzivnost in frekvenca. Po tembru zlahka ločimo zvoke violine in klavirja, flavte in kitare, glasove ljudi (tabela 2).

tabela 2

Frekvenca ν nihanj različnih zvočnih virov

Vir zvoka v, Hz Vir zvoka v, Hz
Moški glas: 100 - 7000 dvojni bas 60 - 8 000
bas 80 - 350 Violončelo 70 - 8 000
bariton 100 - 400 Cev 60 - 6000
tenor 130 - 500 saksofon 80 - 8000
Ženski glas: 200 - 9000 Klavir 90 - 9000
kontraalt 170 - 780 glasbeni toni:
mezzosopranistka 200 - 900 Opomba prej 261,63
sopran 250 - 1000 Opomba re 293,66
koloraturni sopran 260 - 1400 Opomba mi 329,63
Orgle 22 - 16000 Opomba F 349,23
Flavta 260 - 15000 Opomba sol 392,0
Violina 260 - 15000 Opomba la 440,0
Harfa 30 - 15000 Opomba si 493,88
boben 90 - 14000

Hitrost zvoka

Hitrost zvoka je odvisna od elastičnih lastnosti, gostote in temperature medija. Večje kot so elastične sile, hitreje se nihanja delcev prenašajo na sosednje delce in hitreje se valovanje širi. Zato je hitrost zvoka v plinih manjša kot v tekočinah, v tekočinah pa je praviloma manjša kot v trdnih snoveh (tabela 3). V vakuumu se zvočni valovi, kot vsi mehanski valovi, ne širijo, saj med delci medija ni elastičnih interakcij.

Tabela 3

Hitrost zvoka v različnih okoljih

Hitrost zvoka v idealnih plinih narašča s temperaturo sorazmerno z \(\sqrt(T),\), kjer je T je absolutna temperatura. V zraku je hitrost zvoka υ = 331 m/s pri temperaturi t= 0 °C in υ = 343 m/s pri temperaturi t= 20 °C. V tekočinah in kovinah se hitrost zvoka praviloma zmanjšuje z naraščajočo temperaturo (izjema je voda).

Hitrost širjenja zvoka v zraku je leta 1640 prvi določil francoski fizik Marin Mersenne. Izmeril je časovni interval med pojavom bliska in zvokom ob izstreljenem strelu. Mersenne je ugotovil, da je hitrost zvoka v zraku 414 m/s.

Uporaba zvoka

Infrazvok še ni bil uporabljen v tehnologiji. Vendar se je ultrazvok pogosto uporabljal.

  • Imenuje se metoda orientacije ali pregleda okoliških predmetov, ki temelji na oddajanju ultrazvočnih impulzov, ki jim sledi zaznavanje odbitih impulzov (odmevov) od različnih predmetov. eholokacija in ustrezne naprave - zvočniki.

Dobro znane živali, ki imajo sposobnost eholokacije, so netopirji in delfini. Po svoji popolnosti eholokatorji teh živali niso slabši, ampak v mnogih pogledih presegajo (glede zanesljivosti, natančnosti, energijske učinkovitosti) sodobne umetne eholokatorje.

Sonarji, ki se uporabljajo pod vodo, se imenujejo sonar ali sonar (ime sonar je sestavljeno iz začetnih črk treh angleških besed: sound - zvok; navigation - navigacija; range - doseg). Sonari so nepogrešljivi pri preučevanju morskega dna (njegovega profila, globine), za odkrivanje in preučevanje različnih predmetov, ki se premikajo globoko pod vodo. Z njihovo pomočjo je mogoče zlahka zaznati tako posamezne velike predmete ali živali kot tudi jate majhnih rib ali mehkužcev.

Valovi ultrazvočnih frekvenc se pogosto uporabljajo v medicini za diagnostične namene. Ultrazvočni skenerji vam omogočajo pregled notranjih organov osebe. Ultrazvočno sevanje je za razliko od rentgenskih žarkov neškodljivo za človeka.

Literatura

  1. Žilko, V.V. Fizika: učbenik. dodatek za 11. razred splošne izobrazbe. šola iz ruščine jezik usposabljanje / V.V. Žilko, L.G. Markovič. - Minsk: Nar. Asveta, 2009. - S. 57-58.
  2. Kasjanov V.A. Fizika. 10. razred: Učbenik. za splošno izobraževanje institucije. - M.: Bustard, 2004. - S. 338-344.
  3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Fizika: Nihanja in valovanje. 11. razred: Uč. za poglobljen študij fizike. - M.: Bustard, 2002. - S. 184-198.

1. Značilnosti slušnega občutka, njihov odnos s telesnim

zvočne lastnosti. Glasnost v primerjavi s frekvenco.

Weber-Fechnerjev zakon.

Zvočni ton označujejo frekvenca (perioda), harmonski spekter, jakost oziroma jakost zvoka in zvočni tlak. Vse te zvočne značilnosti so fizične ali objektivne značilnosti. Vendar pa je zvok predmet slušnega občutka, zato ga oseba subjektivno ocenjuje, tj. zvok ima tudi fiziološke značilnosti, ki so odraz njegovih fizičnih lastnosti. Naloga sistema zvočnih meritev je vzpostaviti to povezavo in tako omogočiti, da pri pregledu sluha pri različnih ljudeh enotno primerjamo subjektivno oceno slušnega občutka s podatki objektivnih meritev.

Frekvenca nihanja zvočnega vala je ocenjena kot višina tona (pitch). Višja kot je frekvenca nihanja, višji je zvok, ki ga zaznamo.

Druga fiziološka značilnost je tember, ki je določen s spektralno sestavo kompleksnega zvoka. Kompleksni toni istih osnovnih frekvenc se lahko razlikujejo v obliki vibracij in s tem v harmoničnem spektru. Ta razlika je zaznana kot tember (barva zvoka). Na primer, uho razlikuje isto melodijo, zaigrano na različnih glasbilih.

Glasnost je druga subjektivna ocena zvoka, ki označuje raven slušnega občutka. Odvisno je predvsem od jakosti in frekvence zvoka.

Najprej razmislite o odvisnosti ušesne občutljivosti od frekvence. Človeško uho ni enako občutljivo na različne frekvence pri enaki jakosti. Frekvenčno območje, ki ga zaznava, je 16Hz-20kHz. Človekova sposobnost zaznavanja visokofrekvenčnih zvokov se s starostjo poslabša. Mlad človek lahko sliši zvoke s frekvenco do 20.000 Hz, že v srednjih letih pa isti človek ne more zaznati zvokov s frekvenco nad 12-14 kHz. V frekvenčnem območju 1.000-3.000 Hz je občutljivost največja. Zmanjša se na frekvenci 16 Hz in 20 kHz. Očitno je, da je narava spremembe praga sluha nasprotna spremembi občutljivosti ušesa, tj. s povečanjem frekvence od 16 Hz se najprej zmanjša, ostane skoraj nespremenjena v frekvenčnem območju 1000-3000 Hz, nato pa se ponovno poveča. To se odraža v grafu odvisnosti spremembe slušnega praga od frekvence (glej sliko 1).

Graf je narisan v logaritemskem merilu. Zgornja krivulja na grafu ustreza pragu bolečine. Spodnji graf se imenuje krivulja praga volumna, tj. J0 = f(ν).

Glasnost zvoka je odvisna od njegove jakosti. Je subjektivna lastnost zvoka. Ta dva koncepta sta neenaka. Odvisnost glasnosti od jakosti zvoka ima kompleksen značaj zaradi občutljivosti ušesa na delovanje zvočnih valov. Oseba lahko le približno oceni absolutno intenzivnost občutka. Vendar pa precej natančno ugotovi razliko, ko primerja dva občutka različne intenzivnosti. Tako je nastala metoda primerjalnega merjenja glasnosti. V tem primeru se ne meri absolutna vrednost prostornine, temveč njeno razmerje z neko drugo vrednostjo, ki se vzame za začetno ali ničelno raven glasnosti.

Poleg tega smo se dogovorili, da pri primerjavi jakosti in glasnosti zvoka izhajamo iz tona s frekvenco 1.000 Hz, tj. upoštevajte glasnost tona s frekvenco 1000 Hz kot standard za lestvico glasnosti. Kot že rečeno, se primerjalna metoda uporablja tudi pri merjenju jakosti (moči) zvoka. Zato obstajata dve lestvici: ena za merjenje stopenj intenzivnosti; drugi je za merjenje ravni glasnosti. Izdelava lestvice glasnosti temelji na pomembnem psihofizičnem zakonu Weber-Fechnerja. V skladu s tem zakonom, če se draženje poveča eksponentno (tj. za enako število krat), potem se občutek tega draženja poveča v aritmetičnem napredovanju (za enako količino). Na primer, če intenzivnost zvoka zavzame niz zaporednih vrednosti: a J 0 , a 2 J 0 , a 3 J 0 (a>1 je določen koeficient), potem bodo ustrezne spremembe glasnosti zvoka enake E 0, 2E 0, 3E 0. Matematično to pomeni, da je glasnost zvoka neposredno sorazmerna z logaritmom jakosti.

Če deluje zvočni dražljaj z jakostjo J, potem je na podlagi Weber-Fechnerjevega zakona stopnja glasnosti E povezana s stopnjo jakosti na naslednji način:

E = KL = Klg , (1)

kjer je relativna moč stimulacije, K je določen sorazmerni faktor, odvisen od frekvence in intenzivnosti, ki je enak enoti za ν = 1000 Hz. Torej, če vzamemo K=1 pri vseh frekvencah, potem v skladu s formulo (1) dobimo lestvico stopenj intenzivnosti; pri K≠1 - lestvica glasnosti, kjer merska enota ne bo več decibel, ampak ozadje. Če upoštevamo, da sta pri frekvenci 1 kHz lestvici glasnosti in jakosti enaki, potem je E f =10.

Odvisnost glasnosti od jakosti in frekvence nihanj v sistemu zvočnih meritev ugotavljamo na podlagi eksperimentalnih podatkov z grafi, ki jih imenujemo krivulje enake glasnosti, t.j. J=f(ν) pri E = const. Zgradili smo krivuljo ničelne glasnosti ali praga sluha. Ta krivulja je glavna (ničelna glasnost - E f =0).

Če zgradite podobne krivulje za različne ravni glasnosti, na primer v korakih po 10 ozadij, potem dobite sistem grafov (slika 2), ki omogoča iskanje odvisnosti stopnje intenzivnosti od frekvence pri kateri koli ravni glasnosti . Te krivulje temeljijo na povprečnih podatkih, pridobljenih od ljudi z normalnim sluhom. Spodnja krivulja ustreza pragu sluha, tj. za vse frekvence E f \u003d 0 (za frekvenco ν \u003d 1 kHz, intenzivnost J 0 \u003d W / m 2). Študija ostrine sluha se imenuje avdiometrija. Z avdiometrijo na posebni napravi, avdiometru, se pri subjektu določi prag slušnega občutka na različnih frekvencah. Nastali graf se imenuje avdiogram. Izgubo sluha določimo tako, da jo primerjamo z normalno krivuljo praga sluha.

2. Dobre raziskovalne metode v kliniki.

Zvočni pojavi spremljajo številne procese, ki se pojavljajo v telesu, na primer delo srca, dihanje itd. Neposredno poslušanje zvokov, ki se pojavljajo v telesu, je ena najpomembnejših metod kliničnega raziskovanja in se imenuje avskultacija (poslušanje). Ta metoda je znana že od 2. stoletja pr. e. V ta namen se uporablja stetoskop - naprava v obliki ravne lesene ali plastične cevi z majhno vtičnico na enem koncu in ravnim podstavkom na drugem za pritrditev ušesa. Zvok od površine telesa do ušesa se prenaša tako po samem stolpcu zraka kot po stenah cevi.

Za avskultacijo se uporablja fonendoskop, sestavljen iz votle kapsule z membrano, ki je nameščena na bolnikovo telo. Iz kapsule izhajata dve gumijasti cevki, ki se vstavita v zdravnikova ušesa. Resonanca zračnega stebra v kapsuli ojača zvok.

Za diagnosticiranje stanja srčno-žilnega sistema se uporablja metoda - fonokardiografija (FCG) - grafična registracija tonov in srčnih tonov z namenom njihove diagnostične interpretacije. Snemanje poteka s fonokardiografom, ki ga sestavljajo mikrofon, ojačevalnik, sistem frekvenčnih filtrov in snemalna naprava.

Od obeh navedenih metod se razlikuje tolkala - metoda pregleda notranjih organov s tapkanjem po površini telesa in analiziranjem zvokov, ki pri tem nastanejo. Narava teh zvokov je odvisna od načina tapkanja in lastnosti (elastičnost, gostota) tkiv, ki se nahajajo v bližini mesta, na katerem se tapka. Tolkanje se lahko izvaja s posebnim kladivom z gumijasto glavo, ploščo iz elastičnega materiala, imenovano plessimeter, ali s konico upognjenega prsta ene roke udarjate po falangi prsta druge roke, ki je nameščena na človeško telo. . Pri udarcu ob površino telesa nastanejo nihanja, katerih frekvence imajo širok razpon. Nekatera nihanja bodo hitro zbledela, druga pa se bodo zaradi resonance okrepila in bodo slišna. Stanje in topografija notranjih organov določa ton udarnih zvokov.

3. Ultrazvok (UZ), viri ultrazvoka. Značilnosti širjenja ultrazvočnih valov.

Ultrazvok imenujemo zvočne vibracije, katerih frekvenca zavzema območje od 20 kHz do 10 10 Hz. Zgornja meja je vzeta precej pogojno iz takih premislekov, da se valovna dolžina v snovi in ​​tkivih za takšno frekvenco izkaže za sorazmerno z medmolekulskimi razdaljami, ob upoštevanju dejstva, da je hitrost širjenja ultrazvoka v vodi in tkivih enaka. Premik v ultrazvočnem valovanju opisuje prej obravnavana valovna enačba.

Piezoelektrični ultrazvočni oddajniki so najbolj razširjeni tako v tehniki kot v medicinski praksi. Kot piezoelektrični oddajniki služijo kristali kremena, barijevega titanata, Rochelleove soli itd.. Piezoelektrični učinek (neposreden) je pojav pojava na površinah omenjenih kristalnih plošč nabojev nasprotnega znaka pod delovanjem mehanskih deformacij (slika 3a). Po odstranitvi deformacije naboji izginejo.

Obstaja tudi inverzni piezoelektrični učinek, ki se uporablja tudi v medicinski praksi za pridobivanje visokofrekvenčnega ultrazvoka. Če na posrebrene robove površine plošče piezoelektričnega elementa dovedemo izmenično napetost iz generatorja (slika 3b), bo kvarčna plošča nihala v času z izmenično napetostjo generatorja. Amplituda nihanja bo največja, ko lastna frekvenca kremenčeve plošče (ν 0) sovpada s frekvenco generatorja (ν g), tj. pojavi se resonanca (ν 0 \u003d ν g). Ultrazvočni sprejemnik je mogoče ustvariti na podlagi neposrednega piezoelektričnega učinka. V tem primeru se pod vplivom ultrazvočnih valov kristal deformira, kar vodi do pojava izmenične napetosti, ki jo lahko po predhodnem ojačanju izmerimo ali posnamemo na zaslonu elektronskega osciloskopa.

Ultrazvok je mogoče pridobiti z napravami, ki temeljijo na pojavu magnetostrikcije (za pridobitev nizkih frekvenc), ki je sestavljen iz spreminjanja dolžine (raztezanja in krajšanja) feromagnetne palice, postavljene v visokofrekvenčno magnetno polje. Konci te palice bodo oddajali nizkofrekvenčni ultrazvok. Poleg navedenih ultrazvočnih virov obstajajo še mehanski viri (sirene, piščalke), pri katerih se mehanska energija pretvarja v energijo ultrazvočnih nihanj.

Po svoji naravi je ultrazvok, tako kot zvok, mehansko valovanje, ki se širi v elastičnem mediju. Hitrosti širjenja zvočnih in ultrazvočnih valov so približno enake. Vendar je valovna dolžina ultrazvoka veliko krajša od valovne dolžine zvoka. To omogoča enostavno fokusiranje ultrazvočnih vibracij.

Ultrazvočno valovanje ima veliko večjo intenzivnost kot zvočno valovanje, zaradi svoje visoke frekvence lahko doseže več vatov na kvadratni centimeter (W/cm 2), pri fokusiranju pa lahko ultrazvok z jakostjo 50 W/cm 2 ali več pridobiti.

Širjenje ultrazvoka v mediju se razlikuje (zaradi kratke valovne dolžine) še v eni lastnosti - tekočine in trdne snovi so dobri prevodniki ultrazvoka, medtem ko sta zrak in plin slaba. Tako je v vodi, pri drugih enakih pogojih, ultrazvočno slabljenje 1000-krat šibkejše kot v zraku. Pri širjenju ultrazvoka v nehomogenem mediju pride do njegovega odboja in loma. Odboj US na meji dveh medijev je odvisen od razmerja njunih valovnih impedanc. Če ultrazvok v mediju z w 1 = r 1 J 1 pade pravokotno na ravno površino drugega medija z w 2 = r 2 J 2, bo del energije prešel skozi mejno površino, del pa se bo odbil. . Odbojni koeficient bo enak nič, če je r 1 J 1 = r 2 J 2, tj. Ultrazvočna energija se ne bo odbijala od vmesnika med površinami, ampak bo prehajala iz enega medija v drugega brez izgube. Za vmesnike zrak-tekočina, tekočina-zrak, trdni zrak in obratno bo odbojni koeficient skoraj 100 %. To je razloženo z dejstvom, da ima zrak zelo nizek zvočni upor.

Zato je treba v vseh primerih povezave ultrazvočnega oddajnika z obsevanim medijem, na primer s človeškim telesom, strogo zagotoviti, da med oddajniki in tkivom ni niti minimalne zračne plasti (valovni upor). bioloških medijev je 3000-krat večji od valovnega upora zraka). Za odpravo zračne plasti površino ultrazvočnega oddajnika prekrijemo s plastjo olja ali pa ga nanesemo v tankem sloju na površino telesa.

Ko se ultrazvok širi v mediju, nastane zvočni tlak, ki niha in ima pozitivno vrednost v območju stiskanja in negativno v območju redčenja, ki mu sledi. Tako na primer pri intenzivnosti ultrazvoka 2 W / cm 2 nastane tlak v človeških tkivih v območju stiskanja + 2,6 atm., Ki v naslednjem območju preide v vakuum - 2,6 atm. (slika 4). Stiskanje in redčenje, ki ga povzroča ultrazvok, povzroči nastanek razpok neprekinjene tekočine z nastankom mikroskopskih votlin (kavitacija). Če se ta proces zgodi v tekočini, potem so praznine napolnjene s hlapi tekočine ali plini, raztopljenimi v njej. Nato se namesto votline oblikuje stisnjeno mesto snovi, votlina se hitro zruši, v majhnem volumnu se sprosti znatna količina energije, kar vodi do uničenja mikrostruktur snovi.

4. Medicinsko-biološka uporaba ultrazvoka.

Medicinski in biološki učinek ultrazvoka je zelo raznolik. Do sedaj je še vedno nemogoče podati izčrpno razlago učinka UZ na biološke objekte. Iz številnih učinkov, ki jih povzroča ultrazvok, ni vedno lahko izločiti glavnih. Kljub temu se je izkazalo, da je treba pri obsevanju bioloških objektov z UZ upoštevati predvsem naslednje delovanje UZ:

termični; mehansko delovanje; posredno, v večini primerov fizikalno in kemično delovanje.

TOPLOTNO DELOVANJE NAS je pomembno, ker. Za presnovne procese v bioloških objektih je značilna znatna temperaturna odvisnost. Toplotni učinek je določen z absorbirano energijo. V tem primeru se uporabljajo nizke US intenzitete (približno 1 W/cm2). Toplotni učinek povzroči širjenje tkiv, krvnih žil, posledično se poveča metabolizem, poveča se pretok krvi. Zaradi toplotnega učinka fokusiranega ultrazvoka se lahko uporablja kot skalpel za rezanje ne le mehkih tkiv, temveč tudi kostnega tkiva. Trenutno je bila razvita metoda za "varjenje" poškodovanih ali presajenih kostnih tkiv.

MEHANSKO DELOVANJE. Mehanske vibracije delcev snovi v ultrazvočnem polju lahko povzročijo pozitiven biološki učinek (mikromasaža tkivnih struktur). Tovrstni vpliv vključuje tudi mikrovibracijo na celični in podcelični ravni, uničevanje biomakromolekul, uničevanje mikroorganizmov, gliv, virusov, uničevanje malignih tumorjev, mehurja in ledvičnih kamnov. Ultrazvok se uporablja za drobljenje snovi, na primer pri izdelavi koloidnih raztopin, visoko dispergiranih medicinskih emulzij in aerosolov. Z uničenjem rastlinskih in živalskih celic se iz njih izolirajo biološko aktivne snovi (encimi, toksini). Ultrazvok povzroča poškodbe in prestrukturiranje celičnih membran, spremembo njihove prepustnosti.

FIZIKALNO-KEMIJSKO DELOVANJE ULTRAZVOKA. Delovanje ultrazvoka lahko pospeši nekatere kemične reakcije. Menijo, da je to posledica aktivacije ultrazvočnih molekul vode, ki se nato razgradijo in tvorijo aktivne radikale H + in OH -.

Biomedicinsko uporabo ultrazvoka lahko razdelimo predvsem na dve področji: diagnostiko in terapijo. Prva vključuje lokacijske metode, ki uporabljajo predvsem pulzno sevanje. To je ehoencefalografija - opredelitev tumorjev in otekanja možganov.

Lokacijske metode temeljijo na odboju US od vmesnika med mediji z različnimi gostotami. Ta metoda vključuje tudi ultrazvočno kardiografijo - merjenje velikosti srca v dinamiki. Ultrazvočna lokacija se uporablja tudi v oftalmologiji za določanje velikosti očesnega medija. Dopplerjev učinek se uporablja za preučevanje gibanja srčnih zaklopk in hitrosti pretoka krvi.

Zelo velika prihodnost ultrazvočnih holografskih metod za pridobivanje slik organov, kot so ledvice, srce, želodec itd.

Druga smer je ultrazvočna terapija. Ultrazvok se običajno uporablja s frekvenco 800 kHz in intenzivnostjo 1 W / cm 2 ali manj. Poleg tega so primarni mehanizmi delovanja mehanski in toplotni učinki na tkivo. Za namene ultrazvočne terapije se uporablja aparat UTP-ZM ipd.

5. Infrazvok (IS), značilnosti njegove porazdelitve.

Delovanje infrazvokov na biološke objekte.

Infrazvok (IS) se imenuje zvočna nihanja, katerih zgornji obseg ne presega 16 - 20 Hz. Nižje območje 10 -3 Hz. Zelo zanimivi so IZ s frekvenco 0,1 in celo 0,01 Hz. IZ so vključeni v sestavo hrupa. Viri IS so gibanje (nevihta) morske ali rečne vode, hrup gozda, veter, strele, potresi in plazovi, vibracije temeljev zgradb, strojnih orodij, cest zaradi premikajočih se vozil. IZ nastane ob tresljajih mehanizmov, ko veter prenaša zgradbe, drevesa, stebre, ko se premikajo ljudje in živali.

Značilna lastnost IS je nizka absorpcija v medijih. Zato se širi na velike razdalje. IZ se dobro porazdeli v tkivih človeškega telesa, zlasti v kostnem tkivu. Hitrost IZ-valov v zraku je 1200 km/h, v vodi 6000 km/h.

Nizka absorpcija IS omogoča zaznavanje eksplozij in potresov na veliki razdalji od vira z njegovim širjenjem v zemeljski skorji. Glede na izmerjena nihanja IS je napovedan cunami. Trenutno so razviti občutljivi IS sprejemniki, s pomočjo katerih je na primer mogoče napovedati nevihto veliko ur pred njenim začetkom.

Nihanja IZ imajo biološko aktivnost, kar je razloženo s sovpadanjem njihove frekvence z alfa ritmom možganov.

FROM s frekvenco 1-7 Hz z intenzivnostjo 70 dB 8-10 minut. sevanje povzroča: vrtoglavico, slabost, težko dihanje, depresijo, glavobol, zadušitev. Vsi ti dejavniki se povečujejo s ponavljajočo se izpostavljenostjo IZ. IZVEN določene frekvence je lahko usoden.

Vir IZ so vibracije mehanizmov. Zaradi neugodnega delovanja vibracij in IS na človeško telo se pojavi vibracijska bolezen (VB). WB se pojavi pri dolgotrajni izpostavljenosti tem dejavnikom na določenem predelu tkiva ali človeškega organa in povzroči utrujenost ne le posameznih organov, temveč celotnega človeškega telesa. Najprej vodi do atrofije mišic rok in drugih organov, do zmanjšanja občutljivosti na mehanske vibracije, do pojava krčev v prstih rok, nog in drugih organov.

Predpostavlja se, da je primarni mehanizem delovanja IS na telo resonančne narave. Človeški notranji organi imajo lastno frekvenco vibracij. Pri izpostavljenosti IZ s frekvenco, ki je enaka lastni, se pojavi resonanca, ki povzroči te neprijetne občutke, v nekaterih primerih pa lahko povzroči resne posledice: zastoj srca ali pokanje krvnih žil.

Frekvenca naravnih nihanj človeškega telesa v ležečem položaju - (3 - 4 Hz), stoje - (5 - 12 Hz), prsih - (5 -8 Hz), trebušni votlini - (3 - 4 Hz) in drugih organov ustreza frekvenci IZ .

Fiziološke značilnosti zvok imenujemo subjektivne značilnosti slušnega zaznavanja zvoka s človeškim slušnim aparatom. Fiziološke značilnosti zvoka vključujejo najmanjšo in največjo frekvenco vibracij, ki jih zazna določena oseba, prag slišnosti in prag bolečine, glasnost, višino in tember zvoka.

    Najmanjša in največja frekvenca vibracij, ki jih zazna določena oseba. Frekvence zvočnih vibracij ležijo v območju 20-20000 Hz. Vendar pa je najnižja frekvenca, ki jo zazna določena oseba, običajno večja od 20 Hz, najvišja frekvenca pa manjša od 20.000 Hz, kar je odvisno od individualnih strukturnih značilnosti človeškega slušnega aparata. Na primer: min =32 Hz, maks =17900 Hz.

    prag sluha je najmanjša jakost, ki jo zazna človeško uho jaz o. Verjame se, da jaz o =10 -12 W/m 2 pri =1000 Hz. Vendar pa je običajno za določeno osebo prag slišnosti višji. jaz o .

Prag slišnosti je odvisen od frekvence zvočnega tresljaja. Pri določeni frekvenci (običajno 1000-3000 Hz), odvisno od dolžine slušnega kanala človeškega slušnega aparata, pride do resonančnega ojačanja zvoka v človeškem ušesu. V tem primeru bo občutek zvoka najboljši, prag slišnosti pa minimalen. Z zmanjšanjem ali povečanjem frekvence nihanja se stanje resonance poslabša (odmik frekvence od resonančne frekvence) in temu primerno se poveča prag sluha.

3. Prag bolečine imenujemo bolečina, ki jo čuti človeško uho pri jakosti zvoka nad določeno vrednostjo jaz od(zvočnega valovanja ne zaznamo kot zvok). Prag bolečine jaz od odvisno od frekvence (čeprav v manjši meri kot prag slišnosti). Pri nizkih in visokih frekvencah se prag bolečine zmanjša, t.j. bolečine so opazne pri visoki intenzivnosti.

4. Glasnost zvoka je raven človekovega slušnega zaznavanja danega zvoka. Glasnost je v prvi vrsti odvisna od osebe, ki zvok zaznava. Na primer, pri zadostni jakosti pri frekvenci 1000 Hz je lahko glasnost enaka nič (za gluhonemega).

Pri tej osebi, ki zaznava zvok, je glasnost odvisna od frekvence, jakosti zvoka. Kar zadeva prag sluha, je glasnost običajno največja pri frekvenci 1-3 kHz, in ko se frekvenca zmanjša ali poveča, se glasnost zmanjša.

Glasnost zvoka je na kompleksen način odvisna od intenzivnosti zvoka. V skladu s psihofizičnim Weber-Fechnerjevim zakonom je glasnost E neposredno sorazmerno s stopnjo intenzivnosti:

E=k . dnevnik (I/I 0 ), kje k odvisno od frekvence in jakosti zvoka.

Glasnost zvoka se meri v ozadja. Menijo, da je glasnost v fonih številčno enaka jakosti v decibelih na frekvenci 1000 Hz. Na primer glasnost zvoka E=30 ozadje; to pomeni, da ta oseba glede na stopnjo zaznave čuti navedeni zvok na enak način kot zvok, s frekvenco 1000 Hz in raven zvoka 30 dB. Grafično (glej učbenik) so zgrajene krivulje enake glasnosti, ki so individualne za vsako posamezno osebo.

Da bi diagnosticirali stanje človeškega slušnega aparata, z uporabo avdiometra odstranijo avdiogram- odvisnost slušnega praga od frekvence.

5. Višina tona se imenuje človekov občutek čistega tona. Z naraščanjem frekvence se povečuje tudi višina tona. Ko se intenzivnost poveča, se višina nekoliko zmanjša.

6. zvočni ton se imenuje občutek določene kompleksne zvočne vibracije osebe. Barva zvoka je barvanje zvok, po katerem razločimo glas osebe. Barva je odvisna od akustičnega spektra zvoka. Vendar pa isti akustični spekter različni ljudje zaznavajo različno. Torej, če se slušni aparat dveh oseb spremeni drug v drugega in možganski analizator zvoka ostane enak, se bo barva zvoka ljudi, ki jih pozna, zdela drugačna, tj. morda ne bo prepoznal glasu znane osebe ali pa bo glas videti spremenjen.