Звук. Применение звука, ультразвука и инфразвука в медицине

Прочие органы чувств несущественны. Подсистема, доминирующая при восприятии человеком окружающей действительности, называется ключевой репрезентативной системой. Подсистема, доминирующая при  построении внутренних моделей действительности, называется ведущей репрезентативной системой.

На рис. 1.1 представлено распределение  людей по группам в зависимости  от ключевой репрезентативной системы [1]. Аудиальная система здесь только на третьем месте, но это распределение  характеризует в основном объем, а не качество, информации, поступающей  по данному информационному каналу. Более адекватно важность информации отображает распределение по ведущим  системам (рис. 1.2).

 

Рис. 1.1. Распределение людей  по группам в зависимости от ключевой репрезентативной системы

 

Рис. 1.2. Распределение людей  по группам в зависимости от ведущей  репрезентативной системы

 

Можно видеть, что аудиальная система входит в состав ведущей  репрезентативной системы у примерно 36-и процентов людей.

До того, как аудио канал  стал использоваться в качестве второй сигнальной системы, он также использовался  для передачи чувств и настроения посредством высоты, громкости и  тембра звука. Это и стало, вероятно, объективной предпосылкой для возникновения  музыки.

Никакое искусство ко времени  появления звукозаписи так не нуждалось в технических средствах  воплощения. Звук в отличие от масляных красок, бронзы и гранита вещь эфемерная  и существует только в момент извлечения. В нотах может быть зафиксирована  только мелодия, а часть музыки, связанная  с непосредственной красотой звука  и особенностями исполнительской  интерпретации существует только в  момент ее исполнения. Таким образом, запись можно рассматривать не только как "музыкальные консервы", но и как окончательно оформленное музыкальное произведение.

Первая электроакустическая  система это, конечно, телефон. Изобретен  Александром Беллом в 1876 г. В его  честь названа универсальная  единица измерения в логарифмических  шкалах (и, в частности, силы звука) - Белл.

В 1877 г. появилась первая система звукозаписи - фонограф - и  с этого момента началась новая  жизнь музыкального искусства. Фонограф считается изобретенным Томасом  Эдисоном. Он не был электроакустической  системой, но быстро выяснилось, что  чисто механическая запись очень  неудобная и неточная. Надо было очень близко садится музыкантам к раструбу рекордера, с молоточков пианино снимали смягчающие удар подушечки, в студии создавалась неестественно большая реверберация (стены обивали железом). И вот в 1898 году Вальдемар Паульсен (Дания) придумал переводить звуковые колебания в электрический ток, намагничивать стальную проволоку. Также в начале ХХ века происходил переход от чисто механической грамзаписи к записи с промежуточным преобразованием сигнала в электрический ток: механические колебания воздуха переводились в электрический сигнал, который затем усиливался вакуумными лампами и управлял электромагнитом, смещающим резец рекордера.

Изобретения телефона и устройств  записи звука привели к возникновению  новой отрасли науки и техники - электроакустики. Электроакустика - изучает  технические средства перевода звуковых колебаний в электрический сигнал и обратного перевода электрического сигнала в максимально похожие  звуковые колебания. Основные области  применения электроакустики это:

1) звукоусиление;

2) передача звука на  большие расстояния (радиовещание, составляющая телевизионного вещания);

3) запись звука с целью  хранения и последующего воспроизведения.  Звукозаписью чаще называют процесс,  а результат звукозаписи называется  фонограммой.

Исходя из определения  электроакустики, курс делится на два  больших раздела.

Изучение объекта воспроизведения (первоначальных звуков) и условий  его похожего воспроизведения (специфика  распространения звука и особенностей слуха человека).

Методы перевода звукового  поля в электрическую форму и  возбуждения похожего звукового  поля в другом помещении.

Дадим несколько определений.

Звук. Слово "звук" определяет два понятия: первое - звук как физическое явление; второе - звук как ощущение.

1. В результате вибрации (колебания) какого-либо упругого  тела, например струны, возникает  волнообразное распространение  колебаний воздушной среды. Источником  звука является колеблющееся  тело. Оно приводит в колебательное  движение прилегающие к нему  частицы упругой среды (как  правило, воздуха), которые заставляют  колебаться соседние частицы  и т.д. Процесс распространения  колебаний частиц упругой среды  называют звуковой волной.

2. Звуковые волны улавливаются  слуховым органом и вызывают  в нем раздражение, которое  передается по нервным волокнам  в головной мозг, возбуждая ощущение  звука.

Звуковое поле - одна из форм существования материи, проявляется  в виде кинетической энергии колеблющихся материальных тел, а также звуковых волн в твердой, жидкой и газообразной средах, обладающих упругой структурой.

Естественные  источники звука, параметры, виды.

Музыкальные источники.

Речевые источники.

Звук как таковой (например, в охранных системах).

 

 

 

5. Ультразвук. Его применение в медицине

 

Что такое ультразвук?

В последнее  время все более широкое распространение  в производстве находят технологические  процессы, основанные на использовании  энергии ультразвука. Ультразвук нашел  также применение в медицине. В  связи с ростом единичных мощностей  и скоростей различных агрегатов  и машин растут уровни шума, в  том числе и в ультразвуковой области частот.

Ультразвуком  называют механические колебания упругой  среды с частотой, превышающей  верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности  ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/с2) Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако некоторые животные, например, летучие мыши могут и слышать, и издавать ультразвук. Частично воспринимают его грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Ультразвуковые колебания возникают при работе моторов автомобилей, станков и ракетных двигателей.

В практике для  получения ультразвука обычно применяют  электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на способности  некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного (магнитострикционные генераторы) или электрического поля (пьезоэлектрические генераторы), при этом генераторы издают звуки высокой частоты.

Вследствие  большой частоты (малой длины  волны) ультразвук обладает особыми  свойствами. Так, подобно свету, ультразвуковые волны могут образовывать строго направленные пучки. Отражение и  преломление этих пучков на границе  двух сред подчиняется законам геометрической оптики. Он сильно поглощается газами и слабо - жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мельчайших пузырьков  с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют протекание процессов  диффузии 
(взаимопроникновения двух сред друг в друга). Ультразвуковые волны существенно влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций.

Эти свойства ультразвука  и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое  техническое и медицинское использование. 
Ультразвук применяют в медицине и биологии для эхолокации, для выявления и лечения опухолей и некоторых дефектов в тканях организма, в хирургии и травматологии для рассечения мягких и костных тканей при различных операциях, для сварки сломанных костей, для разрушения клеток (ультразвук большой мощности). В ультразвуковой терапии для лечебных целей используют колебания 800-900 кГц.

Влияние ультразвука на организм человека

Ультразвук  обладает главным образом локальным  действием на организм, поскольку  передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми  деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние  на организм человека. Длительное систематическое  воздействие ультразвука, распространяющегося  воздушным путем, вызывает изменения  нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома. Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер. При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции. Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия. Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ – дают поражающий эффект.

В поле ультразвуковых колебаний в живых тканях ультразвук оказывает механическое, термическое, физико-химическое воздействие (микромассаж клеток и тканей). При этом активизируются обменные процессы, повышаются иммунные свойства организма. Ультразвук оказывает выраженное обезболивающее, спазмолитическое, противовоспалительное и общетонизирующее действие, стимулирует крово- и лимфообращение, ускоряет регенеративные процессы, улучшает трофику тканей. Время воздействия на болевую зону 3-5 мин, а в сумме - на несколько зон - не более 12-15 мин на всю процедуру и не более 10-12 процедур раз в 3 месяца. Так как ультразвук полностью отражается от тончайших прослоек воздуха, к телу его подводят через безвоздушные контактные среды.

Профилактика  и лечение заболеваний, вызванных  ультразвуком

Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука  на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, составляет гигиеническое  нормирование. В соответствии с ГОСТ 12.1.01-89 "Ультразвук. Общие требования безопасности", "Санитарными нормами  и правилами при работе на промышленных ультразвуковых установках" (№ 1733-77) ограничиваются уровни звукового давления в высокочастотной области слышимых звуков и ультразвуков на рабочих  местах (от 80 до 110 дБ при среднегеометрических частотах третьоктавных полос от 12,5 до 100 кГц). Ультразвук, передающийся контактным путем, нормируется "Санитарными нормами и правилами при работе с оборудованием, создающим ультразвуки, передающиеся контактным путем на руки работающих" № 2282-80. Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм операторов технологических установок, персонала лечебно-диагностических кабинетов состоят в первую очередь в проведении мероприятий технического характера. К ним относятся создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах на 
20-40 дБ; размещение оборудования в звукоизолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением; оборудование звукоизолирующих устройств, кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами. При проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона - не ниже 22 кГц. Чтобы исключить воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо устанавливать систему автоматического отключения ультразвуковых преобразователей при операциях, во время которых возможен контакт 
(например, загрузка и выгрузка материалов). Для защиты рук от контактного действия ультразвука рекомендуется применение специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой. Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты - противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой и др.

Использование ультразвука в промышленности и  хозяйстве

Сегодня ультразвук применяется в огромном количестве отраслей. Среди них: медицина, геология, сталелитейная промышленность, военная  промышленность и т.д. Чрезвычайно  интенсивно ультразвук применяется  в геологии, существует специальная  наука – геофизика.

С помощью ультразвука  геофизики находят залежи ценных ископаемых и определяют глубину  их местонахождения. В металолитейной отрасли ультразвук применяется для диагностики состояния кристаллической решетки металла. При 
«прослушивании» труб, балок у качественных изделий получается определенный сигнал, если же у изделия что-то отличается от нормы (плотность, дефект конструкции), сигнал будет другим, что и укажет инженеру на брак.

В современной  медицине также используется ультразвук. Например, одна из самых распространенных процедур с его использованием –  УЗИ, где ультразвук используется для  диагностики состояния внутренних органов. Также применяется ультрозвуковая физиотерапия, позволяющая ускорить регенерацию шрамов, тканей, сращивания костей; ультразвуковая кардиограмма, ультразвуковой остеосинтез. (см. раздел «Иллюстрации»)

Окруженная вражескими суднами  подводная лодка имеет только один безопасный способ связаться с  базой – передать сигнал в водной среде. Для этого используется особенный  условный ультразвуковой сигнал определенной частоты – перехватить такое послание практически невозможно, т.к. для этого необходимо знать его частоту, точное время передачи и «маршрут». Однако отправка сигнала с лодки также является сложнейшей процедурой – необходимо учитывать все глубины, температуру воды и т.д. База, получая сигнал, и, зная время его прохождения, может высчитать расстояния до лодки, в результате – ее местонахождение. Также в подводном флоте используют специальные короткие ультразвуковые импульсы, посылаемые гидролокатором прямо с подводной лодки; импульс отражается от предметов – скал, других судов, и с его помощью рассчитывают направление и расстояние до препятствия (прием, позаимствованный у ночных хищников - летучих мышей).

Поскольку звук большой частоты  имеет ограниченную площадь воздействия 
(чем больше частота, тем меньше площадь) и наоборот, то ультразвуковым лучом большой мощности можно нарушить работу даже искусственного спутника. Луч «забьет» все радиоэлектронные приборы, что будет чревато опасными последствиями. Ходят слухи, что подобное уже происходило при запуске американского «Аполлона». Но пожалуй, это единственное оружие, «пуля» в котором – ультразвук.