Інфразвук та ультразвук. Властивості, дія на організм людини та застосування

 У нічних метеликів  з сімейства ведмедиць розвинувся  генератор ультразвукових перешкод, що «збиває із сліду» кажанів,  переслідуючих цих комах. 

 Не менш умілі навігатори  – жирні дрімлюги, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки – від Панами на північному заході Перу на півдні і Сурінама на сході. Найбільший подарунок природи – це здібність гуахаро до ехолокації. Живучи в непроглядній тьмі, жирні дрімлюги, проте, пристосувалися віртуозно літати по печерах. Вони видають неголосні клацаючі звуки, що вільно уловлюються і людським вухом (їх частота приблизно 7 000 Герц). Кожне клацання триває одну-дві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стенів підземелля, різних виступів і перешкод і сприймається чуйним птахом.  

Застосування  ультразвуку 

•Різання металу за допомогою ультразвуку

 На звичайних металоріжучих  верстатах не можна просвердлити  в металевій деталі вузький  отвір складної форми, наприклад у вигляді п'ятикутної зірки. Тут без слюсаря не обійдешся, а за допомогою ультразвуку це можна зробити. Магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото цілком замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше за фрезерний верстат і обробляти їм металеві деталі дешевші і швидші, ніж фрезерним верстатом. Ультразвуком можна навіть робити гвинтову нарізку в металевих деталях, в склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім вже деталь піддають гарту. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі і в найтвердіших сплавах. То ж і з штампами. Зазвичай штамп загартовують вже після його ретельної обробки. На ультразвуковому верстаті складну обробку проводить абразив (наждак, корундовий порошок) в полі ультразвукової хвилі. Безперервно коливаючись в полі ультразвуку, частинки твердого порошку «вгризаються в оброблюваний сплав і вирізують отвір такої ж форми, як і у долота. Більшість ультразвукових верстатів працюють безшумно. У недалекому майбутньому в цехах металообробних заводів не буде ні брязкоту, ні гуркоту. Шлях до тиші йде через звук.

•Приготування сумішей за допомогою ультразвуку

 Широко застосовується  ультразвук для приготування  однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські учені  Лімус і Вуд виявили, що якщо  дві рідини (наприклад, масло і воду), що не змішуються, злити в одну мензурку і піддати опромінюванню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна суспензія масла у воді. Подібні емульсії грають велику роль в промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.

•Застосування ультразвуку в біології

 Здатність ультразвуку  розривати оболонки кліток знайшла  застосування в біологічних дослідженнях, наприклад, при необхідності відокремити клітку від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутріклітинних структур, як мітохондрії і хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їх структурою і функціями (аналітична цитологія). Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малій інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій грає велику роль в селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.

•Застосування ультразвуку для очищення

 У лабораторіях і  на виробництві застосовуються  ультразвукові ванни для очищення  лабораторного посуду і деталей  від дрібних частинок. У ювелірній промисловості ювелірні вироби очищають від дрібних частинок полірувальної пасти в ультразвукових ваннах. У деяких пральних машинах застосовують ультразвук для прання білизни.

•Застосування ультразвуку для очищення коренеплодів

 У деяких харчових  виробництвах застосовують ультразвукові  ванни для очищення коренеплодів (картоплі, моркви, буряка і ін.) від  частинок землі. 

•Застосування ультразвуку в ехолокації

 У рибній промисловості  застосовують ультразвукову ехолокацію  для виявлення косяків риб.  Ультразвукові хвилі відбиваються  від косяків риб і приходять  в приймач ультразвуку раніше, ніж ультразвукова хвиля, що  відбилася від дна.

•Застосування ультразвуку у витратометрії

 Для контролю витрати  і обліку води і теплоносія з 60-х років минулого століття в промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри. Незаперечні достоїнства ультразвукових витратомірів: мала або повна відсутність гідравлічного опору, надійність (оскільки немає рухомих механічних елементів), висока точність, швидкодія, перешкодозахисна – визначили їх широке розповсюдження.

Вплив ультразвуку  на організм людини

     У виробничих  умовах можливий вплив низькочастотного  ультразвуку на працюючих як  через повітря, так і при  безпосередньому контакті з рідким або твердим середовищем зі збудженими коливаннями. Контактна дія спостерігається при утримуванні інструмента, чи оброблюваної деталі (при лудінні та паянні), при завантажуванні виробів в ультразвукові ванни і розвантажуванні їх, зварюванні та інших операціях. Розрізняють короткочасну та періодичну контактну дію.

     Ультразвукові  коливання, які генеруються промисловим   устаткуванням, несприятливо впливають  на організм людини. При тривалій  систематичній дії ультразвуку,  який поширюється через повітря,  можуть виникати порушення нервової, серцево-судинної і ендокринної  систем, слухового аналізатора, системи крові.

     Характерним  є розвиток вегетосудинної дистонії  і астенії. Ступінь вираженості  змін, що відбуваються в організмі  людини під впливом ультразвуку, залежить від інтенсивності й тривалості його дії і може посилюватися за рахунок наявності у спектрі високочастотного шуму і можливості контакту із середовищем, яке озвучується.

     Біологічна  дія ультразвуку на організм  при  контактному його передаванні  залежить від потужності ультразвукових  коливань, їх частоти, тривалості  дії, способу  випромінювання  ультразвукової енергії (безперервного,  імпульсного), чутливості тканин, інтенсивності  кровопостачання і стану метаболізму  у тканинах. Поширюючись у тканинах організму, ультразвукові хвилі впливають на фізико-хімічні та біологічні процеси, що відбуваються в цих тканинах. Найчутливіші до дії контактного високочастотного ультразвуку вегетативна і периферична нервові системи.

     В осіб, які працюють в умовах інтенсивного ультразвуку, що супроводжується шумом, поряд із змінами функцій нервової системи спостерігається зниження судинного тонусу, особливо в місцях контакту з джерелами ультразвуку. Загальноцеребральні порушення часто поєднуються з помірним вегетативним поліартритом рук, парезом пальців, кистей і передпліччя. Іноді у працівників спостерігаються вестибулярні розлади, підвищення температури тіла тощо.

     Залежно від  інтенсивності ультразвукових хвиль  розрізняють три види ультразвуку  і впливу його на живі тканини:

1. Ультразвук  малої інтенсивності  (до 1,5Вт/см2). Викликає зміни фізико-хімічних  реакцій організму, прискорення обмінних процесів, слабке нагрівання  тканини, мікромасаж і не призводить до морфологічних порушень всередині клітин.

2. Ультразвук  середньої  інтенсивності (1,5-3 Вт/см2). Викликає реакцію пригнічення у нервовій тканині. Швидкість відновлення функцій залежить  від інтенсивності і тривалості  впливу ультразвуку.

3. Ультразвук  великої  інтенсивності. Викликає  незворотне  пригнічення аж до повного руйнування тканини.

     Ультразвук  високочастотного діапазону викликає  підвищення проникності судин шкіри, що виражається гіперемією аж до крововиливів на поверхні шкіри (петехій).

     Під час контактної дії ультразвуку  підвищується серцевий ритм, помітно змінюється ЕКГ; при збільшенні його інтенсивності виникає аритмія, а в окремих випадках — зупинка серця (у піддослідних тварин). Аналогічні реакції спостерігаються і в людей: виникають неприємні відчуття при озвучуванні грудної клітки, згодом розвиваються тахікардія та стенокардія.

     Високочастотний  ультразвук малої інтенсивності  (0,2-1,0 Вт/см2) викликає судинорозширювальний ефект, великої (3,0 Вт/см2 і більше) — судинозвужувальний. При цьому змінюється тонус артерій: ультразвук малої інтенсивності дає гіпотензивний ефект, при збільшенні його інтенсивності виникає артеріальна гіпертензія.

     Зміни в  нирках, печінці, статевих органах,  ендокринних залозах відбуваються  внаслідок впливу ультразвуку  на гіпоталамус, який регулює діяльність внутрішніх органів рефлекторним і нейрогуморальним шляхами. Спостерігається зміна морфологічної картини крові; зменшується кількість еритроцитів та лейкоцитів. Зміни нагадують такі, що відбуваються під впливом радіоактивного випромінювання. Виявляються вегетативно-судинні ураження рук (парез пальців, кистей і передпліччя, вегетативний поліневрит). Ступінь вираженості патології залежить від рівня ультразвукового тиску. Негативні наслідки більшою мірою виражаються у працівників, які зазнають одночасного впливу ультразвуку через повітря і контактно. Істотно підвищує негативний вплив ультразвуку шум чутного діапазону.  

Профілактика негативного  впливу ультразвуку

     При обслуговуванні  ультразвукового обладнання профілактичні заходи передбачають попередження контактного озвучування через тверді та рідкі середовища і боротьбу з поширенням ультразвуку й шуму в повітрі робочої зони. Ультразвукове устаткування слід обладнувати звукоізолюючими кожухами, конструкції ультразвукових верстатів і устаткування для зварювання та паяння повинні мати екрани з органічного скла, які забезпечують зниження рівнів звукового тиску на робочих місцях. Забороняється контакт з робочими поверхнями устаткування у процесі його роботи, з оброблюваними рідинами і деталями. Для боротьби з контактним озвучуванням слід застосовувати дистанційне керування, автоблокування, тобто автоматичне вимкнення устаткування і приладів при завантажуванні та розвантажуванні продукції, нанесенні контактних мастил, а також спеціальні пристрої для завантажування і виймання деталей, затискачі, щипці, ручки яких повинні мати еластичне покриття, що поглинає ультразвук.

     Індивідуальний  захист органу слуху досягається   застосуванням протишумів. Для захисту   рук від впливу ультразвуку  в  зоні контакту з твердим  або рідким середовищем слід застосовувати захисні рукавички. До роботи з ультразвуковим устаткуванням допускаються особи віком понад 18 років.

Поняття інфразвуку

     Інфразвук  (від латинського infra - нижче, під), пружні хвилі, аналогічні звуковим, але з частотами нижче області чутних людиною частот. Зазвичай за верхню межу інфразвуковий області приймають частоти 16-25 Гц. Нижня межа інфразвукового діапазону невизначена. Практичний інтерес можуть представляти коливання від десятих і навіть сотих часток Гц., Тобто з періодами в десяток секунд. Зазвичай слух людини сприймає коливання в межах 16-20000 Гц (коливань в секунду). Інфразвук викликає нервове перенапруження, нездужання, запаморочення, зміна діяльності внутрішніх органів, особливо нервової та серцево - судинної систем. Для інфразвуку характерне мале поглинання в різних середовищах внаслідок чого інфразвукові хвилі в повітрі, воді і в земній корі можуть розповсюджуватися на дуже далекі відстані. Це явище знаходить практичне застосування при визначенні місця сильних вибухів або положення стріляючого знаряддя. Розповсюдження інфразвуку на великі відстані в море дає можливість передбачення стихійного лиха - цунамі. Звуки вибухів, які містять велику кількість інфразвукових частот, застосовуються для дослідження верхніх шарів атмосфери, властивостей водного середовища. "Голос моря" - це інфразвукові хвилі, що виникають над поверхнею моря при сильному вітрі, в результаті вихороутворення за гребенями хвиль. Внаслідок того, що для інфразвуку характерне мале поглинання, він може поширюватися на великі відстані, а оскільки швидкість його поширення значно перевищує швидкість переміщення області шторму, то "голос моря" може служити для завчасного передбачення шторму. Своєрідними індикаторами шторму є медузи. На краю "дзвону" у медузи розташовані примітивні очі і органи рівноваги - слухові колби величиною з шпилькову голівку. Це і є "вуха" медузи. Вони чують інфразвуки з частотою 8 - 13 Гц. Шторм розігрується ще за сотні кілометрів від берега, він прийде в ці місця приблизно годин через 20, а медузи вже чують його і йдуть на глибину. Довжина інфразвуковий хвилі досить велика (на частоті 3.5 Гц вона дорівнює 100 метрам), проникнення в тканини тіла також велике. Можна сказати, що людина чує інфразвук <всім тілом>.  

Джерела інфразвукових  хвиль

  До основних техногенних  джерел інфразвуку належить потужне  обладнання - верстати, котельні, транспорт,  підводні та підземні вибухи. Крім того, інфразвук випромінюють вітряні електростанції.  Природні джерела потужного інфразвуку - урагани, виверження вулканів, електричні розряди і різкі коливання тиску в атмосфері (рівень від 60 до 90 дБ. Але в цієї шкідливої ​​області інфразвуку людина швидко наздоганяє природу і в ряді випадків вже перегнав її. Так, при запуску космічних ракет типу "Аполлон" рекомендований (короткочасне) значення інфразвукового рівня для космонавтів становило 140 дБ (!), а для обслуговуючого персоналу і навколишнього населення 120 дБ (!). Джерелом інфразвукових коливань є грозові розряди (грім), а також вибухи і гарматні постріли. У земній корі спостерігаються струси і вібрації інфразвукових частот від найрізноманітніших джерел, у тому числі від вибухів обвалів і транспортних збудників. Він містяться в шумі атмосфери, лісу і моря, їх джерело - турбулентність атмосфери і вітер (приклад, так званий "голос моря" - інфразвукові коливання, які утворюються від завихрень вітру на гребенях морських хвиль, існують й інші види інфразвукових хвиль вітрового походження). У повітрі виникають не тільки поперечні коливання, але і поздовжні, сила виникає інфразвуку пропорційна квадрату довжини хвиль. При швидкості вітру 20 м / с потужність «голоси» може досягати 3 Вт з кожного метра фронту хвилі. При певних умовах шторм генерує інфразвук потужністю вже в десятки кВт. Причому основне випромінювання інфразвуку йде приблизно в діапазоні близько 6 Гц - найбільш небезпечному для людини. Треба додати, що «голос» , поширюючись зі швидкістю звуку, значно випереджає вітер і морські хвилі, до того ж інфразвук вельми слабо розсіюється з відстанню. У принципі він може поширюватися без значного ослаблення на сотні й тисячі кілометрів, як в повітрі, так і у воді, причому швидкість водяний хвилі в кілька разів перевищує швидкість повітряної. Так що - десь вирує шторм, а за тисячу кілометрів від цього місця екіпаж якийсь шхуни сходить від 6-герцового випромінювання з розуму і в жаху кидається в абсолютно спокійне море. При коливаннях близько 6 герц людина відчуває почуття занепокоєння, часто переходить у підсвідомий жах; при 7 герцах можливий параліч серця і нервової системи; при коливаннях на порядок вище можливе руйнування технічних пристроїв. Загалом, джерел інфразвуку досить таки багато. Розвиток промислового виробництва і транспорту призвело до значного збільшення джерел інфразвуку в навколишньому середовищі і зростанням інтенсивності рівня інфразвуку.