Aktivni akustički apsorberi ultrazvuka i infrazvuka. Školska enciklopedija

Ultrazvuk:

Što je ultrazvuk;
Utjecaj ultrazvuka na ljudski organizam;
Primjena ultrazvuka u industriji i gospodarstvu;
Perspektive uporabe ultrazvuka.

Infrazvuk:

Što je infrazvuk;
Utjecaj infrazvuka na ljudski organizam;
infrazvučne anomalije;
Životinje koje koriste infrazvuk;
Perspektive uporabe infrazvuka;
Zaključak

Ultrazvuk

1. Što je ultrazvuk?

U posljednje vrijeme sve su rašireniji u proizvodnji tehnološki procesi koji se temelje na korištenju ultrazvučne energije. Ultrazvuk je također našao primjenu u medicini. Zbog povećanja jediničnih snaga i brzina raznih jedinica i strojeva, povećava se razina buke, uključujući i ultrazvučno frekvencijsko područje.

Ultrazvuk je mehanička vibracija elastičnog medija čija frekvencija prelazi gornju granicu čujnosti -20 kHz. Jedinica razine zvučnog tlaka je dB. Mjerna jedinica za intenzitet ultrazvuka je vat po kvadratnom centimetru (W/s2), ali neke životinje, poput šišmiša, mogu i čuti i proizvesti ultrazvuk. Djelomično ga percipiraju glodavci, mačke, psi, kitovi i dupini. Ultrazvučne vibracije nastaju tijekom rada motora automobila, alatnih strojeva i raketnih motora.

Ultrazvuk zbog svoje visoke frekvencije (kratke valne duljine) ima posebna svojstva. Dakle, poput svjetlosti, ultrazvučni valovi mogu formirati strogo usmjerene zrake. Refleksija i lom tih zraka na granici dvaju medija pokorava se zakonima geometrijske optike. Snažno ga apsorbiraju plinovi, a slabo tekućine. U tekućini pod utjecajem ultrazvuka nastaju šupljine u obliku sitnih mjehurića s kratkotrajnim povećanjem tlaka unutar njih. Osim toga, ultrazvučni valovi ubrzavaju procese difuzije.

Ova svojstva ultrazvuka i osobitosti njegove interakcije s okolinom određuju njegovu široku tehničku i medicinsku primjenu. Ultrazvuk se koristi u medicini i biologiji za eholokaciju, za otkrivanje i liječenje tumora i nekih defekata u tjelesnim tkivima, u kirurgiji i traumatologiji za rezanje mekih i koštanih tkiva tijekom raznih operacija, za zavarivanje slomljenih kostiju, za uništavanje stanica (ultrazvuk velike snage). U terapiji ultrazvukom u terapijske svrhe koriste se oscilacije od 800-900 kHz.

2. Učinak ultrazvuka na ljudski organizam

Ultrazvuk ima uglavnom lokalni učinak na tijelo, budući da se prenosi izravnim kontaktom s ultrazvučnim instrumentom, radnim predmetima ili okruženjima u kojima se pobuđuju ultrazvučne vibracije. Ultrazvučne vibracije koje stvara ultrazvučna niskofrekventna industrijska oprema imaju negativan učinak na ljudsko tijelo. Dugotrajno sustavno izlaganje ultrazvuku iz zraka uzrokuje promjene u živčanom, kardiovaskularnom i endokrinom sustavu, slušnom i vestibularnom analizatoru.

U području ultrazvučnih vibracija u živim tkivima ultrazvuk ima mehaničko, toplinsko, fizikalno-kemijsko djelovanje (mikromasaža stanica i tkiva). Istodobno se aktiviraju metabolički procesi i povećavaju se imunološka svojstva tijela.

3. Primjena ultrazvuka u industriji i gospodarstvu

Danas se ultrazvuk koristi u velikom broju industrija. Među njima su: medicina, geologija, industrija čelika, vojna industrija itd. Ultrazvuk se iznimno intenzivno koristi u geologiji; postoji posebna znanost - geofizika.

Pomoću ultrazvuka geofizičari pronalaze naslage vrijednih minerala i određuju dubinu njihovog položaja. U industriji ljevanja metala ultrazvuk se koristi za dijagnosticiranje stanja metalne kristalne rešetke. Kada se "slušaju" cijevi i grede visokokvalitetnih proizvoda, dobiva se određeni signal, ali ako proizvod ima nešto drugačije od norme (gustoća, greška u dizajnu), signal će biti drugačiji, što će inženjeru pokazati da neispravan je.

Okružena neprijateljskim brodovima, podmornica ima samo jedan siguran način da kontaktira bazu - odašilje signal u vodenom okruženju. Za to se koristi poseban uvjetovani ultrazvučni signal određene frekvencije - takvu je poruku gotovo nemoguće presresti, jer Da biste to učinili, morate znati njegovu frekvenciju, točno vrijeme prijenosa i "rutu". No, slanje signala s broda također je složen postupak - potrebno je uzeti u obzir sve dubine, temperaturu vode itd. Baza, primajući signal i znajući svoje vrijeme putovanja, može izračunati udaljenost do broda i, kao rezultat toga, njegovu lokaciju. Podmorska flota također koristi posebne kratke ultrazvučne impulse koje šalje sonar izravno iz podmornice; impuls se reflektira od predmeta - stijena, drugih brodova, te se uz njegovu pomoć izračunava smjer i udaljenost do prepreke (tehnika posuđena od noćnih grabežljivaca - šišmiša).

Ultrazvučne kupke također se koriste kako za dezinfekciju instrumenata tako i u kozmetičke svrhe - masaža stopala, ruku i lica. Vrlo su učinkoviti ultrazvučni ovlaživači zraka i mlaznice, kao i daljinomjeri (poznati radari prometne policije također koriste ultrazvučne impulse).

4. Perspektive uporabe ultrazvuka

U budućnosti se očekuje šira primjena ultrazvučnih impulsa u kozmetičke svrhe - znanstvenici već koriste ultrazvuk za čišćenje pora, osvježenje i pomlađivanje stare kože - ultrazvučni piling. U tijeku je rad na stvaranju ultrazvučnog oružja, kao i na razvoju sustava zaštite od njega. Očekuje se da će se ultrazvuk sve više koristiti u kućanstvima.

Infrazvuk

5. Što je infrazvuk?

Razvoj tehnologije i vozila, usavršavanje tehnoloških procesa i opreme prati povećanje snage i dimenzija strojeva, što uvjetuje tendenciju porasta niskofrekventnih komponenti u spektru i pojavu infrazvuka, koji je relativno nov, nedovoljno proučen faktor u proizvodnom okruženju.

Infrazvuk se odnosi na akustične vibracije s frekvencijom ispod 20 Hz. Ovaj frekvencijski raspon nalazi se ispod praga čujnosti i ljudsko uho nije sposobno percipirati vibracije tih frekvencija. Industrijski infrazvuk nastaje zbog istih procesa kao i buka čujnih frekvencija. Najveću jačinu infrazvučnih vibracija stvaraju strojevi i mehanizmi koji imaju velike površine koji izvode niskofrekventne mehaničke vibracije (infrazvuk mehaničkog porijekla) ili turbulentna strujanja plinova i tekućina (infrazvuk aerodinamičkog ili hidrodinamičkog porijekla). Maksimalne razine niskofrekventnih akustičnih vibracija iz industrijskih i transportnih izvora dosežu 100-110 dB.

6. Utjecaj infrazvuka na ljudski organizam

Istraživanja biološkog djelovanja infrazvuka na organizam pokazala su da na razinama od 110 do 150 dB ili više može uzrokovati neugodne subjektivne senzacije i brojne reaktivne promjene kod ljudi, koje uključuju promjene u središnjem živčanom, kardiovaskularnom i dišnom sustavu, te vestibularni analizator. Postoje dokazi da infrazvuk uzrokuje gubitak sluha prvenstveno na niskim i srednjim frekvencijama. Ozbiljnost ovih promjena ovisi o razini intenziteta infrazvuka i trajanju faktora.

Infrazvuk nipošto nije nedavno otkriven fenomen. Naime, orguljašima je poznata više od 250 godina. Mnoge katedrale i crkve imaju orgulje toliko duge da proizvode zvuk frekvencije manje od 20 Hz, a koji ljudsko uho ne može osjetiti. No, kako su ustanovili britanski istraživači, takav infrazvuk može u publici izazvati različite i ne baš ugodne osjećaje - melankoliju, osjećaj hladnoće, tjeskobu, drhtanje u kralježnici. Ljudi izloženi infrazvuku doživljavaju približno iste osjećaje kao i prilikom posjeta mjestima gdje su se dogodili susreti s duhovima.

7. Infrazvučne anomalije

Sjevernoamerička obala oko rta Hatteras, poluotok Florida i otok Kuba čine golemi reflektor. Oluja koja se događa u Atlantskom oceanu stvara infrazvučne valove koji se, reflektirani od ovog reflektora, fokusiraju u području Bermudskog trokuta. Kolosalne dimenzije fokusirajuće strukture upućuju na postojanje područja u kojima infrazvučne vibracije mogu doseći značajne vrijednosti, što je uzrok anomalnih pojava koje se ovdje događaju. Kao što je poznato, jake infrazvučne vibracije kod čovjeka izazivaju panični strah i želju za bijegom iz zatvorenog prostora. Očito je ovakvo ponašanje posljedica “instinktivne” reakcije na infrazvuk razvijene u dalekoj prošlosti kao vjesnik potresa. Upravo ta reakcija uzrokuje da posada i putnici u panici napuste svoj brod. Mogu ući u čamce i otplivati od svog broda ili istrčati na palubu i baciti se u more. Ako je intenzitet infrazvuka vrlo visok, oni mogu čak i umrijeti - ako dođe u rezonanciju s ljudskim bioritmovima, infrazvuk posebno visokog intenziteta može izazvati trenutnu smrt.

Infrazvuk može izazvati rezonantne vibracije brodskih jarbola, što dovodi do njihovog kvara (utjecaj infrazvuka na konstrukcijske elemente zrakoplova može dovesti do sličnih posljedica). Niskofrekventne zvučne vibracije mogu uzrokovati pojavu guste ("poput mlijeka") magle nad oceanom koja se brzo pojavljuje i također brzo nestaje. I na kraju, infrazvuk frekvencije 5-7 herca može rezonirati s njihalom mehaničkog, ručnog sata koji ima isti period titranja.

Očito, slične strukture fokusiranja postoje iu drugim područjima svijeta. Navodno je panika izazvana intenzivnim infrazvučnim vibracijama u jednoj od tih struktura poslužila kao “polazišna točka” mita o sirenama...

Infrazvuk se može širiti pod vodom, a strukturu fokusiranja može formirati topografija dna. Izvor infrazvučnih vibracija mogu biti podvodni vulkani i potresi. Naravno, oblik "pejzažnih" reflektora vrlo je daleko od savršenog. Stoga treba govoriti o sustavu reflektirajućih elemenata, specifičnom za svaki slučaj. S dimenzijama koje su razmjerne valnoj duljini, struktura može biti rezonantna.

8. Životinje koje koriste infrazvuk

Američki znanstvenici otkrili su da tigrovi i slonovi za međusobnu komunikaciju koriste ne samo režanje, predenje ili urlikanje i zov trube, već i infrazvuk, odnosno zvučne signale vrlo niske frekvencije koje ljudsko uho ne čuje. Prema znanstvenicima, infrazvuk omogućuje životinjama da održavaju komunikaciju na udaljenosti do 8 kilometara, budući da je širenje infrazvuka gotovo neosjetljivo na smetnje uzrokovane terenom, a malo ovisi o vremenskim i klimatskim čimbenicima poput vlažnosti zraka.

Sada znanstvenici namjeravaju otkriti imaju li frekvencijski spektri glasa tigra individualne karakteristike koje im omogućuju identificiranje životinja. To bi uvelike olakšalo knjigovodstvo njihove stoke.

Dok su proučavali ponašanje skupine slonova u zoološkom vrtu Portland u Oregonu, skupina istraživača "osjetila" je neobične vibracije u zraku. Koristeći sofisticirani elektronički sustav za detekciju zvuka, istraživači su otkrili da se radi o infrazvučnim valovima koje emitiraju slonovi. Dok su u Keniji promatrali slonove koji se slobodno kreću, istraživači su istom opremom zabilježili potpuno istu vrstu valova. Znanstvenici su zaključili da životinje koriste zvukove niske frekvencije za međusobnu komunikaciju na udaljenosti od nekoliko kilometara.

Znanstvenici se nadaju da će u budućnosti, nakon utvrđivanja značenja infrazvučnih signala, prijeći na najuzbudljiviju fazu eksperimenata - uspostavljanje kontakta sa slonovima uz njihovu pomoć.

9. Perspektive korištenja infrazvuka

Sada znanstvenici razvijaju takozvani "infrazvučni pištolj". Niskofrekventni zvučni valovi planiraju se koristiti ovdje kao "generator panike". U ovom slučaju, infrazvuk je mnogo prikladniji od visokofrekventnih valova, jer sam po sebi predstavlja prijetnju ljudskom zdravlju. Frekvencije našeg živčanog sustava i srca leže u infrazvučnom području - 6 Hz. Oponašanje ovih frekvencija dovodi do lošeg zdravlja, bezrazložnog straha, panike, ludila i na kraju do smrti.

10. Zaključak

Obavivši ovaj posao - prikupljanje, obradu i sažimanje velike količine materijala o ovoj problematici, naučili smo mnogo o prirodi zvuka. O opasnostima koje može predstavljati za ljudski organizam io tome koliko se može koristiti u kućanstvu. Za nas je najzanimljivija hipoteza bila o prirodi "strahopoštovanja", strahopoštovanja prema ljudima u hramu. Istraživanje metoda komunikacije sa životinjama i, naravno, korištenje infrazvuka za predviđanje mjesta i vremena budućih erupcija i potresa smatramo vrlo obećavajućim.

Ultrazvuk:

Što je ultrazvuk;
Utjecaj ultrazvuka na ljudski organizam;
Primjena ultrazvuka u industriji i gospodarstvu;
Perspektive uporabe ultrazvuka.

Infrazvuk:

Što je infrazvuk;
Utjecaj infrazvuka na ljudski organizam;
infrazvučne anomalije;
Životinje koje koriste infrazvuk;
Perspektive uporabe infrazvuka;
Zaključak

Ultrazvuk

1. Što je ultrazvuk?

2. Učinak ultrazvuka na ljudski organizam

3. Primjena ultrazvuka u industriji i gospodarstvu

4. Perspektive uporabe ultrazvuka

Infrazvuk

5. Što je infrazvuk?

6. Utjecaj infrazvuka na ljudski organizam

7. Infrazvučne anomalije

8. Životinje koje koriste infrazvuk

9. Perspektive korištenja infrazvuka

10. Zaključak

Ultrazvuk– elastične vibracije s frekvencijom iznad 20 tisuća Hz. Može nastati iz mehaničkih, elektromagnetskih i toplinskih izvora. Povećanjem frekvencije ultrazvučnih vibracija povećava se njihova apsorpcija u okolini i smanjuje dubina prodiranja u ljudsko tkivo. Apsorpciju ultrazvuka prati zagrijavanje medija. Ultrazvuk se dijeli na:

niska frekvencija

· visoka frekvencija;

· zrak;

· kontakt.

Niskofrekventne zvučne vibracije dobro se prenose zrakom.

Trenutno se ultrazvuk široko koristi u raznim područjima tehnologije i industrije, posebice za analizu i kontrolu: otkrivanje grešaka, strukturna analiza tvari, određivanje fizikalnih i kemijskih svojstava materijala itd.

Tehnološki procesi: čišćenje i odmašćivanje dijelova, mehanička obrada tvrdih i krhkih materijala, zavarivanje, lemljenje, kalajisanje, elektrolitički procesi, ubrzanje kemijskih reakcija - koriste se ultrazvučne vibracije niske frekvencije od 18 do 30 KHz i velike snage - do 6- 7 W/cm². Najčešći izvori ultrazvuka su piezoelektrični i magnetski pretvornici. Osim toga, u industrijskim uvjetima, LF ultrazvuk često se stvara tijekom aerodinamičkih procesa: rad mlaznih motora, plinskih turbina, snažnih zračnih motora itd.

Ultrazvuk je postao široko rasprostranjen u medicini za liječenje bolesti kralježnice, zglobova, perifernog živčanog sustava, kao i za izvođenje kirurških operacija i dijagnostike. Američki znanstvenici su 2002. godine razvili metodu za uklanjanje tumora mozga koji nisu podložni konvencionalnom kirurškom liječenju. Temelji se na principu uklanjanja katarakte - drobljenju patološke tvorbe fokusiranim ultrazvukom.

Godine 2006. liječnici s kanadskog Sveučilišta Alberta razvili su tehnologiju pomoću koje su naučili koristiti pulsirajući ultrazvuk niskog intenziteta za poticanje ponovnog rasta izbijenih i ispalih zuba.

Dijagnostički ultrazvuk intenzivno se koristi već tri desetljeća tijekom trudnoće i bolesti pojedinih organa. Ultrazvuk, nailazeći na prepreku u obliku organa čovjeka ili fetusa, utvrđuje njihovu prisutnost i veličinu. Intenzitet terapijskog ultrazvuka koji se najčešće koristi ne prelazi 0,2-0,4 W/cm²; Frekvencija ultrazvučnih vibracija koje se koriste za dijagnostiku kreće se od 800 KHz do 20 MHz, a intenzitet varira od 0,01 do 20 W/cm² ili više. Neurokirurgija koristi elektroničku opremu sa snažnim fokusiranim visokofrekventnim (oko 1000 kHz) snopom.

Biološki učinak izlaganja na organizam ovisi o intenzitetu, trajanju izlaganja i veličini tijela izloženog ultrazvuku.

Dugotrajni sustavni utjecaj ultrazvuka koji se širi u zraku uzrokuje funkcionalne poremećaje živčanog, kardiovaskularnog, endokrinog sustava, slušnog i vestibularnog analizatora.

Ljudi koji rade na ultrazvučnim aparatima doživljavaju tešku asteniju, vaskularnu hipotenziju i smanjenje električne aktivnosti srca i mozga. Promatraju se promjene u središnjem živčanom sustavu refleksne prirode - osjećaj straha u mraku, u zatvorenom prostoru; iznenadni napadi s ubrzanim otkucajima srca, prekomjernim znojenjem, grčevima u želucu, crijevima i žučnom mjehuru.

Najtipičniji simptomi su vegetativno-vaskularna distonija s pritužbama na jak umor, glavobolju i osjećaj pritiska u glavi, poteškoće u koncentraciji, inhibiciju procesa razmišljanja i nesanicu.

Kontaktni učinak visokofrekventnog ultrazvuka na ruke dovodi do poremećaja kapilarne cirkulacije u rukama i smanjenja osjetljivosti na bol. Utvrđeno je da ultrazvučne vibracije mogu uzrokovati promjene u strukturi kostiju uz smanjenje gustoće kostiju.

Infrazvuk– elastični valovi, slični zvučnim valovima, ali imaju frekvencije niže od onih koje čuju ljudi. Obično se 16-25 Hz uzima kao gornja granica infrazvučnog (IS) raspona; donja granica nije definirana. Infrazvuk je sadržan u buci atmosfere, šume i mora. Izvori IC oscilacija su munja (grom), eksplozije i pucnjevi. IZ oscilacije se opažaju u zemljinoj kori, pobuđene različitim izvorima, uključujući potrese, eksplozije, klizišta i vozila.

Infrazvuk se slabo apsorbira u različitim okruženjima, tako da može putovati na vrlo velike udaljenosti. Ovo ima praktičnu primjenu u određivanju lokacije epicentra potresa, velike eksplozije ili pucanja iz vatrenog oružja. Širenje zračenja na velike udaljenosti na moru omogućuje predviđanje prirodnih katastrofa (tsunamija). Eksplozije koje stvaraju širok raspon IC frekvencija koriste se za proučavanje gornjih slojeva atmosfere i svojstava vodenog okoliša.

Razvoj industrijske proizvodnje i prometa doveo je do značajnog porasta izvora infrazvuka u okolišu i povećanja njegove razine. Glavni umjetni izvori infrazvuka u gradu prikazani su u tablici (tablica 3):

Tablica 3

U proizvodnim uvjetima infrazvuk se obično kombinira s niskofrekventnim šumom, au nekim slučajevima i s niskofrekventnim vibracijama.

U kasnim 60-im godinama prošlog stoljeća francuski istraživač Gavreau otkrio je da infrazvučni valovi određenih frekvencija mogu izazvati tjeskobu i nemir, glavobolju, smanjiti pažnju i radnu sposobnost, poremetiti funkciju vestibularnog sustava te izazvati krvarenje iz nosa i ušiju. Profesor Gavreau je sugerirao da se biološki učinak infrazvuka očituje ako se frekvencija vala poklapa s alfa ritmom ljudskog mozga.

Mehanizam percepcije infrazvuka i njegov fiziološki učinak na ljude još nije u potpunosti utvrđen. Moguće je da je povezan s pobuđivanjem rezonantnih oscilacija u tijelu. Dakle, prirodna frekvencija našeg vestibularnog aparata je blizu 6 Hz, a mnogi su ljudi upoznati s neugodnim osjećajima pri dugotrajnoj vožnji autobusom, vlakom, plovidbi brodom ili ljuljanju na ljuljački. Infrazvuk frekvencije 7 Hz je smrtonosan. Sposobnost infrazvuka da izazove strah koristi policija u nizu zemalja svijeta: za raspršivanje gomile uključuju se snažni generatori čije se frekvencije razlikuju za 5-9 Hz. Zračenja koja nastaju kao posljedica razlike u frekvencijama ovih generatora imaju IZ frekvenciju i kod mnogih izazivaju nesvjesni osjećaj straha i želju za što bržim odlaskom.

Pod utjecajem infrazvuka, vizualne slike koje stvaraju lijevo i desno oko mogu se razlikovati, horizont se počinje iskrivljavati, a nastaju problemi s orijentacijom u prostoru. Slične osjećaje uzrokuje pulsiranje svjetlosti s frekvencijom od 4-8 Hz. Čak su i egipatski svećenici, kako bi potisnuli psihu i iznudili priznanje zarobljenika, vezali ga i uz pomoć zrcala usmjeravali mu pulsirajuću sunčevu zraku u oči. Nakon nekog vremena, zatvorenik je počeo imati grčeve, počela mu je ići pjena na usta, a on je odgovarao na pitanja.

Kada je tijelo izloženo infrazvuku u razini od 110-150 dB, mogu se pojaviti poremećaji u središnjem živčanom sustavu, kardiovaskularnom sustavu, dišnom sustavu i vestibularnom analizatoru. Postoje pritužbe na glavobolje, vrtoglavicu, zujanje u ušima i glavi, smanjenu pozornost i performanse. Može se javiti osjećaj straha, pospanosti, otežanog govora, neuravnoteženosti, tjeskobe i neizvjesnosti te emocionalne nestabilnosti.

Ultrazvuk je zvuk čija je frekvencija iznad gornje granice čujnosti za normalno ljudsko uho. Ultrazvučni uređaji rade na frekvencijama u rasponu od $20 kHz do nekoliko gigaherca.

Slika 1. Frekvencijski rasponi

Ultrazvuk u divljini

Šišmiši koriste ultrazvučne valove visoke frekvencije (kratke valne duljine) kako bi poboljšali svoju sposobnost lova. Tipičan plijen šišmiša je moljac — objekt koji nije mnogo veći od samog šišmiša. Šišmiši koriste ultrazvučne tehnike eholokacije kako bi otkrili svoje srodnike u zraku.

Slika 2. Šišmiši koriste ultrazvuk za snalaženje u mraku.

Ali zašto ultrazvuk? Odgovor na ovo pitanje leži u fizici difrakcije. Budući da valna duljina postaje kraća od prepreke na koju nailazi, val se više ne može raspršiti oko nje i stoga se reflektira. Šišmiši koriste ultrazvučne valove s valnim duljinama manjim od veličine njihovog plijena. Ovi zvučni valovi sudarat će se s plijenom i umjesto da se difragiraju oko plijena, odbit će se od plijena, omogućujući mišu da lovi pomoću eholokacije.

Psi s normalnim sluhom mogu čuti ultrazvuk.

Kitovi zubati, uključujući i dupine, mogu čuti ultrazvuk i koristiti ga u svom navigacijskom sustavu (biosonar).

Metode dobivanja ultrazvuka

Mehanička metoda- vibracijski sustavi (strune, elastične ploče, cijevi).
Toplinska metoda- od električnih pražnjenja u tekućinama i plinovima, stalno rastućom temperaturom ili impulsnom strujom.
Optička metoda- Laser može proizvesti elastične valove u širokom rasponu ultrazvučnih frekvencija.

Infrazvuk

Definicija 1

Infrazvuk- zvučni valovi koje ljudsko uho ne može čuti jer im je frekvencija preniska.

Slika 3. Vjetroelektrane proizvode infrazvuk

Infrazvuk se odlikuje sposobnošću putovanja na velike udaljenosti i sposobnošću izbjegavanja prepreka, a ima i vrlo veliku valnu duljinu - preko 17$ m.

Prirodni izvori infrazvuka su: oluje, valovi, lavine, potresi, vulkani, vodopadi, munje.

Izloženost infrazvuku

Infrazvučne frekvencije mjere se od $0,1$ do $20$ Hz. Infrazvuk, ili zvučne frekvencije ispod $20$ Hz, uho ne percipira.

Napomena 1

Istraživanja djelovanja infrazvuka uglavnom se provode na životinjama, tako da nije moguće u potpunosti razumjeti djelovanje infrazvuka na ljudski organizam. Mnoga istraživanja pokazuju da se pri izlaganju visokim razinama infrazvuka mogu javiti: osjećaj pritiska u ušima, nelagoda, pretjerani umor, pospanost pa čak i apatija i depresija. Studije na životinjama pokazale su da infrazvuk vrlo visokog intenziteta može uzrokovati ozbiljna oštećenja strukture uha. Međutim, ne postoje pouzdane studije koje bi pokazale da su izvori infrazvuka štetni u svakodnevnom životu. Samo izlaganje vrlo visokim frekvencijama ove vrste zvuka može biti opasno za vaše zdravlje. Rezultati prethodnih istraživanja u ovom području su mješoviti, a osjetljivost se razlikuje od osobe do osobe.

Poznato je da životinje osjećaju infrazvučne valove koji putuju zemljom kao posljedicu prirodnih katastrofa i mogu ih koristiti kao upozorenja. Nedavni primjer ovog fenomena je potres i tsunami u Indijskom oceanu 2004. godine. Životinje su počele bježati prije tsunamija s obale Azije. Ne zna se sa sigurnošću je li to bio točan uzrok, ali neki vjeruju da je možda utjecaj elektromagnetskog vala, a ne infrazvuka, potaknuo ove životinje na bijeg.

Primjer 1

Šišmiš leti okomito na zid brzinom $6.0\ (m)/(s)$ emitirajući ultrazvuk frekvencije $v=45\ kHz$. Koje dvije zvučne frekvencije $v_1$ i $v_2$ čuje šišmiš? Brzina širenja zvuka u zraku je $c=340\ (m)/(s)$.

Prema Dopplerovom principu, frekvencija zvuka koju opaža promatrač određena je formulom

Po stanju

(2) -- brzina palice.

Šišmiš će čuti zvuk i odraziti se od zida. Za izravni zvuk iz formule (1) imamo

\ \[((\mathbf v))_((\mathbf 2))(\mathbf =)\frac((\mathbf c)(\mathbf +)(\mathbf u))((\mathbf c)(\ mathbf +)(\mathbf u))(\mathbf v)(\mathbf =)(\mathbf 46),(\mathbf 6)(\mathbf \ kHz)\]

Odgovor: $\ v_1=45\ kHz$, $((\mathbf v))_((\mathbf 2))(\mathbf =)(\mathbf 46),(\mathbf 6)(\mathbf \ kHz)$ .

1. Odašiljači i prijemnici ultrazvuka.

2. Apsorpcija ultrazvuka u tvari. Akustična strujanja i kavitacija.

3. Ultrazvučna refleksija. Zvučna vizija.

4. Biofizički učinak ultrazvuka.

5. Primjena ultrazvuka u medicini: terapija, kirurgija, dijagnostika.

6. Infrazvuk i njegovi izvori.

7. Utjecaj infrazvuka na čovjeka. Primjena infrazvuka u medicini.

8. Osnovni pojmovi i formule. Stolovi.

9. Zadaci.

ultrazvuk - elastične vibracije i valovi s frekvencijama od približno 20x10 3 Hz (20 kHz) do 10 9 Hz (1 GHz). Ultrazvučni frekvencijski raspon od 1 do 1000 GHz obično se naziva hiperzvuk. Ultrazvučne frekvencije podijeljene su u tri raspona:

ULF - ultrazvuk niske frekvencije (20-100 kHz);

USCh - ultrazvuk srednje frekvencije (0,1-10 MHz);

UHF - ultrazvuk visoke frekvencije (10-1000 MHz).

Svaki asortiman ima svoje karakteristike medicinske upotrebe.

5.1. Odašiljači i prijemnici ultrazvuka

Elektromehanički emiteri I ultrazvučni prijemnici koristiti fenomen piezoelektričnog efekta, čija je bit ilustrirana na sl. 5.1.

Kristalni dielektrici poput kvarca, Rochelleove soli i dr. imaju izražena piezoelektrična svojstva.

Ultrazvučni emiteri

Elektromehanički Ultrazvučni emiter koristi fenomen inverznog piezoelektričnog efekta i sastoji se od sljedećih elemenata (slika 5.2):

Riža. 5.1. A - izravni piezoelektrični učinak: kompresija i rastezanje piezoelektrične ploče dovodi do pojave potencijalne razlike odgovarajućeg znaka;

b - obrnuti piezoelektrični učinak: ovisno o predznaku potencijalne razlike primijenjene na piezoelektričnu ploču, ona se sabija ili rasteže

Riža. 5.2. Ultrazvučni emiter

1 - ploče izrađene od tvari s piezoelektričnim svojstvima;

2 - elektrode položene na njegovu površinu u obliku vodljivih slojeva;

3 - generator koji elektrodama daje izmjenični napon potrebne frekvencije.

Kada se iz generatora (3) na elektrode (2) dovede izmjenični napon, ploča (1) doživljava periodično rastezanje i kompresiju. Javljaju se prisilne oscilacije čija je frekvencija jednaka frekvenciji promjena napona. Te se vibracije prenose na čestice okoline, stvarajući mehanički val odgovarajuće frekvencije. Amplituda oscilacija čestica medija u blizini emitera jednaka je amplitudi oscilacija ploče.

Značajke ultrazvuka uključuju mogućnost dobivanja valova visokog intenziteta čak i s relativno malim amplitudama vibracija, budući da pri danoj amplitudi gustoća

Riža. 5.3. Fokusiranje ultrazvučne zrake u vodi plankonkavnom lećom od pleksiglasa (ultrazvučna frekvencija 8 MHz)

protok energije je proporcionalan kvadrat frekvencije(vidi formulu 2.6). Maksimalni intenzitet ultrazvučnog zračenja određen je svojstvima materijala odašiljača, kao i karakteristikama uvjeta njihove uporabe. Raspon intenziteta za US generiranje u USF regiji je izuzetno širok: od 10 -14 W/cm 2 do 0,1 W/cm 2 .

Za mnoge svrhe potrebni su značajno veći intenziteti od onih koji se mogu dobiti s površine emitera. U tim slučajevima možete koristiti fokusiranje. Na slici 5.3 prikazano je fokusiranje ultrazvuka pomoću leće od pleksiglasa. Za dobivanje vrlo velika intenziteta ultrazvuka koriste složenije metode fokusiranja. Tako je u žarištu paraboloida, čije su unutarnje stijenke izrađene od mozaika kvarcnih ploča ili piezokeramike barijevog titanita, na frekvenciji od 0,5 MHz moguće dobiti ultrazvučne intenzitete do 10 5 W/cm 2 . u vodi.

Ultrazvučni prijemnici

Elektromehanički Ultrazvučni prijemnici(Sl. 5.4) koristiti fenomen izravnog piezoelektričnog efekta. U tom slučaju pod utjecajem ultrazvučnog vala dolazi do vibracija kristalne ploče (1),

Riža. 5.4. Ultrazvučni prijemnik

uslijed čega se na elektrodama (2) javlja izmjenični napon koji bilježi sustav za snimanje (3).

U većini medicinskih uređaja kao prijamnik se koristi i generator ultrazvučnih valova.

5.2. Apsorpcija ultrazvuka u tvari. Akustična strujanja i kavitacija

U svojoj fizičkoj biti ultrazvuk se ne razlikuje od zvuka i mehanički je val. Kako se širi, formiraju se izmjenična područja kondenzacije i razrijeđenosti čestica medija. Brzina širenja ultrazvuka i zvuka u medijima je ista (u zraku ~ 340 m/s, u vodi i mekim tkivima ~ 1500 m/s). Međutim, veliki intenzitet i kratka duljina ultrazvučnih valova uzrokuju brojne specifične značajke.

Kada se ultrazvuk širi u tvari, dolazi do nepovratnog prijelaza energije zvučnog vala u druge vrste energije, uglavnom u toplinu. Ova pojava se zove apsorpcija zvuka. Smanjenje amplitude vibracija čestica i intenziteta ultrazvuka zbog apsorpcije je eksponencijalno:

gdje su A, A 0 amplitude vibracija čestica medija na površini tvari i na dubini h; I, I 0 - odgovarajući intenziteti ultrazvučnog vala; α - koeficijent apsorpcije, ovisno o frekvenciji ultrazvučnog vala, temperaturi i svojstvima medija.

Koeficijent apsorpcije - recipročna vrijednost udaljenosti na kojoj se amplituda zvučnog vala smanjuje za faktor "e".

Što je veći koeficijent apsorpcije, to medij jače apsorbira ultrazvuk.

Koeficijent apsorpcije (α) raste s povećanjem frekvencije ultrazvuka. Stoga je prigušenje ultrazvuka u mediju višestruko veće od prigušenja zvučnog zvuka.

Zajedno s koeficijent apsorpcije, Apsorpcija ultrazvuka također se koristi kao karakteristika dubina poluapsorpcije(H), koji je s njim povezan inverznim odnosom (H = 0,347/α).

Dubina poluapsorpcije(H) je dubina na kojoj je intenzitet ultrazvučnog vala prepolovljen.

Vrijednosti koeficijenta apsorpcije i dubine poluapsorpcije u različitim tkivima prikazane su u tablici. 5.1.

U plinovima, a posebno u zraku, ultrazvuk se širi s velikim prigušenjem. Tekućine i čvrste tvari (osobito monokristali) u pravilu su dobri vodiči ultrazvuka, a slabljenje je u njima mnogo manje. Na primjer, u vodi je prigušenje ultrazvuka, pod jednakim uvjetima, približno 1000 puta manje nego u zraku. Stoga se područja uporabe ultrazvučne frekvencije i ultrazvučne frekvencije odnose gotovo isključivo na tekućine i čvrste tvari, au zraku i plinovima koristi se samo ultrazvučna frekvencija.

Oslobađanje topline i kemijske reakcije

Apsorpciju ultrazvuka tvari prati prijelaz mehaničke energije u unutarnju energiju tvari, što dovodi do njezina zagrijavanja. Najintenzivnije zagrijavanje događa se u područjima uz sučelja, kada je koeficijent refleksije blizu jedinice (100%). To je zbog činjenice da se kao rezultat refleksije povećava intenzitet vala u blizini granice i, sukladno tome, povećava se količina apsorbirane energije. To se može eksperimentalno provjeriti. Morate pričvrstiti ultrazvučni emiter na mokru ruku. Ubrzo se na suprotnoj strani dlana pojavljuje osjećaj (sličan boli od opekline), uzrokovan ultrazvukom reflektiranim od sučelja koža-zrak.

Tkiva složene građe (pluća) osjetljivija su na ultrazvučno zagrijavanje od homogenih tkiva (jetra). Relativno mnogo topline stvara se na granici između mekog tkiva i kosti.

Lokalno zagrijavanje tkiva za djelić stupnja potiče vitalnu aktivnost bioloških objekata i povećava intenzitet metaboličkih procesa. Međutim, produljena izloženost može uzrokovati pregrijavanje.

U nekim slučajevima, fokusirani ultrazvuk se koristi za lokalni utjecaj na pojedine strukture tijela. Ovaj učinak omogućuje postizanje kontrolirane hipertermije, tj. zagrijavanje na 41-44 °C bez pregrijavanja susjednih tkiva.

Porast temperature i veliki padovi tlaka koji prate prolaz ultrazvuka mogu dovesti do stvaranja iona i radikala koji mogu djelovati s molekulama. U tom slučaju može doći do kemijskih reakcija koje u normalnim uvjetima nisu izvedive. Kemijski učinak ultrazvuka očituje se posebno u cijepanju molekule vode na H + i OH - radikale, nakon čega slijedi stvaranje vodikovog peroksida H 2 O 2.

Akustična strujanja i kavitacija

Ultrazvučni valovi visokog intenziteta popraćeni su nizom specifičnih učinaka. Dakle, širenje ultrazvučnih valova u plinovima i tekućinama prati kretanje medija, što se naziva akustično strujanje (Sl. 5.5, A). Na frekvencijama u ultrazvučnom frekvencijskom području u ultrazvučnom polju intenziteta od nekoliko W/cm2 može doći do curenja tekućine (Sl. 5.5, b) i prskanjem da se stvori vrlo fina magla. Ova značajka širenja ultrazvuka koristi se u ultrazvučnim inhalatorima.

Među važnim fenomenima koji nastaju kada se intenzivan ultrazvuk širi u tekućinama je akustični kavitacija - rast mjehurića iz postojećih u ultrazvučnom polju

Riža. 5.5. a) akustično strujanje koje nastaje kada se ultrazvuk širi na frekvenciji od 5 MHz u benzenu; b) fontana tekućine koja nastaje kada ultrazvučna zraka padne iz unutrašnjosti tekućine na njezinu površinu (ultrazvuk frekvencije 1,5 MHz, intenzitet 15 W/cm2)

submikroskopske jezgre plina ili pare u tekućinama veličine do djelića mm, koje počinju pulsirati na ultrazvučnoj frekvenciji i kolabiraju u fazi pozitivnog tlaka. Kada se mjehurići plina kolabiraju, veliki lokalni tlakovi reda veličine tisuća atmosfera kuglastog udarni valovi. Takav intenzivan mehanički učinak na čestice sadržane u tekućini može dovesti do različitih učinaka, uključujući i one destruktivne, čak i bez utjecaja toplinskog učinka ultrazvuka. Mehanički učinci su posebno značajni kada su izloženi fokusiranom ultrazvuku.

Druga posljedica kolapsa kavitacijskih mjehurića je snažno zagrijavanje njihovog sadržaja (do temperature od oko 10 000 °C), praćeno ionizacijom i disocijacijom molekula.

Fenomen kavitacije prati erozija radnih površina emitera, oštećenje ćelija itd. Međutim, ovaj fenomen također dovodi do niza korisnih učinaka. Na primjer, u području kavitacije dolazi do pojačanog miješanja tvari koja se koristi za pripremu emulzija.

5.3. Ultrazvučna refleksija. Zvučna vizija

Kao i sve vrste valova, ultrazvuk karakteriziraju pojave refleksije i refrakcije. Međutim, ti su fenomeni vidljivi samo kada je veličina nehomogenosti usporediva s valnom duljinom. Duljina ultrazvučnog vala znatno je manja od duljine zvučnog vala (λ = v/v). Dakle, duljine zvučnih i ultrazvučnih valova u mekim tkivima na frekvencijama od 1 kHz odnosno 1 MHz jednake su: λ = 1500/1000 = 1,5 m;

1500/1.000.000 = 1,5x10 -3 m = 1,5 mm. Sukladno navedenom, tijelo veličine 10 cm praktički ne reflektira zvuk valne duljine λ = 1,5 m, ali je reflektor za ultrazvučni val s λ = 1,5 mm.

Učinkovitost refleksije određena je ne samo geometrijskim odnosima, već i koeficijentom refleksije r, koji ovisi o omjeru valni otpor medija x(vidi formule 3.8, 3.9):

Za vrijednosti x blizu 0, refleksija je gotovo potpuna. To je prepreka prijenosu ultrazvuka iz zraka u meka tkiva (x = 3x10 -4, r= 99,88%). Ako se ultrazvučni emiter primijeni izravno na kožu osobe, ultrazvuk neće prodrijeti unutra, već će se reflektirati od tankog sloja zraka između emitera i kože. U ovom slučaju male vrijednosti x igraju negativnu ulogu. Kako bi se uklonio zračni sloj, površina kože prekrivena je slojem odgovarajućeg lubrikanta (vodeni žele), koji djeluje kao prijelazni medij koji smanjuje refleksiju. Naprotiv, za otkrivanje nehomogenosti u srednjim, malim vrijednostima x su pozitivan faktor.

Vrijednosti koeficijenta refleksije na granicama različitih tkiva dane su u tablici. 5.2.

Intenzitet primljenog reflektiranog signala ne ovisi samo o vrijednosti koeficijenta refleksije, već io stupnju apsorpcije ultrazvuka od strane medija u kojem se širi. Apsorpcija ultrazvučnog vala dovodi do činjenice da je eho signal koji se reflektira od strukture koja se nalazi u dubini puno slabiji od onog koji nastaje kada se reflektira od slične strukture koja se nalazi blizu površine.

Na temelju refleksije ultrazvučnih valova od nehomogenosti zvučni vid, koristi se u medicinskim ultrazvučnim pretragama (ultrazvuk). U tom se slučaju ultrazvuk reflektiran od nehomogenosti (pojedini organi, tumori) pretvara u električne vibracije, a potonje u svjetlost, što vam omogućuje da određene objekte vidite na ekranu u okolini neprozirnoj za svjetlost. Slika 5.6 prikazuje sliku

Riža. 5.6. Slika ljudskog fetusa starog 17 tjedana dobivena ultrazvukom od 5 MHz

ljudski fetus star 17 tjedana, dobiven ultrazvukom.

Na frekvencijama u ultrazvučnom području stvoren je ultrazvučni mikroskop - uređaj sličan konvencionalnom mikroskopu, čija je prednost u odnosu na optički mikroskop što za biološka istraživanja nije potrebno prethodno bojenje predmeta. Slika 5.7 prikazuje fotografije crvenih krvnih stanica dobivene optičkim i ultrazvučnim mikroskopom.

Riža. 5.7. Fotografije crvenih krvnih stanica dobivene optičkim (a) i ultrazvučnim (b) mikroskopom

Povećanjem frekvencije ultrazvučnih valova raste razlučivost (mogu se detektirati manje nehomogenosti), ali se smanjuje njihova prodornost, tj. smanjuje se dubina na kojoj se mogu ispitati strukture od interesa. Stoga je frekvencija ultrazvuka odabrana tako da kombinira dovoljnu rezoluciju s potrebnom dubinom istraživanja. Tako se za ultrazvučni pregled štitnjače, smještene neposredno ispod kože, koriste valovi frekvencije 7,5 MHz, a za pregled trbušnih organa frekvencija 3,5-5,5 MHz. Osim toga, uzima se u obzir i debljina masnog sloja: za mršavu djecu koristi se frekvencija od 5,5 MHz, a za djecu i odrasle s prekomjernom težinom koristi se frekvencija od 3,5 MHz.

5.4. Biofizički učinak ultrazvuka

Kada ultrazvuk djeluje na biološke objekte u ozračenim organima i tkivima na udaljenostima jednakim polovici valne duljine, mogu nastati razlike u tlaku od jedinica do desetaka atmosfera. Takvi intenzivni utjecaji dovode do niza bioloških učinaka, čija je fizička priroda određena kombiniranim djelovanjem mehaničkih, toplinskih i fizikalno-kemijskih pojava koje prate širenje ultrazvuka u okolišu.

Opće djelovanje ultrazvuka na tkiva i organizam u cjelini

Biološki učinak ultrazvuka, tj. Promjene nastale u životnoj aktivnosti i strukturi bioloških objekata pri izlaganju ultrazvuku određene su uglavnom njegovim intenzitetom i trajanjem zračenja i mogu imati i pozitivne i negativne učinke na životnu aktivnost organizama. Dakle, mehaničke vibracije čestica koje se javljaju pri relativno niskim intenzitetima ultrazvuka (do 1,5 W/cm 2 ) proizvode svojevrsnu mikromasažu tkiva, potičući bolji metabolizam i bolju opskrbu tkiva krvlju i limfom. Lokalno zagrijavanje tkiva frakcijama i jedinicama stupnjeva, u pravilu, potiče vitalnu aktivnost bioloških objekata, povećavajući intenzitet metaboličkih procesa. Ultrazvučni valovi mali I prosjek intenziteta izazivaju pozitivne biološke učinke u živim tkivima, potičući odvijanje normalnih fizioloških procesa.

Uspješna primjena ultrazvuka ovih intenziteta koristi se u neurologiji za rehabilitaciju bolesti kao što su kronični radikulitis, poliartritis, neuritis i neuralgija. Ultrazvuk se koristi u liječenju bolesti kralježnice i zglobova (uništavanje naslaga soli u zglobovima i šupljinama); u liječenju raznih komplikacija nakon oštećenja zglobova, ligamenata, tetiva itd.

Ultrazvuk visokog intenziteta (3-10 W/cm2) štetno djeluje na pojedine organe i ljudski organizam u cjelini. Visoki intenzitet ultrazvuka može uzrokovati

u biološkim okruženjima akustične kavitacije, popraćene mehaničkim uništavanjem stanica i tkiva. Dugotrajna intenzivna izloženost ultrazvuku može dovesti do pregrijavanja bioloških struktura i njihove destrukcije (denaturacija proteina i sl.). Izloženost intenzivnom ultrazvuku može imati i dugoročne posljedice. Na primjer, s produljenim izlaganjem ultrazvuku frekvencije 20-30 kHz, što se događa u nekim industrijskim uvjetima, osoba razvija poremećaje živčanog sustava, povećava se umor, značajno raste temperatura i dolazi do oštećenja sluha.

Vrlo intenzivan ultrazvuk je poguban za ljude. Tako je u Španjolskoj 80 dobrovoljaca bilo izloženo ultrazvučnim turbulentnim motorima. Rezultati ovog barbarskog eksperimenta bili su katastrofalni: 28 ljudi je umrlo, ostali su potpuno ili djelomično paralizirani.

Toplinski učinak ultrazvuka visokog intenziteta može biti vrlo značajan: uz ultrazvučno zračenje snage 4 W/cm2 tijekom 20 s, temperatura tjelesnih tkiva na dubini od 2-5 cm raste za 5-6 °C.

Kako bi se spriječile profesionalne bolesti kod osoba koje rade na ultrazvučnim instalacijama, kada je moguć kontakt s izvorima ultrazvučnih vibracija, potrebno je koristiti 2 para rukavica za zaštitu ruku: vanjske gumene i unutarnje pamučne.

Učinak ultrazvuka na staničnoj razini

Biološki učinak ultrazvuka također se može temeljiti na sekundarnim fizikalno-kemijskim učincima. Dakle, tijekom formiranja akustičnih strujanja može doći do miješanja unutarstaničnih struktura. Kavitacija dovodi do kidanja molekularnih veza u biopolimerima i drugim vitalnim spojevima te do razvoja redoks reakcija. Ultrazvuk povećava propusnost bioloških membrana, zbog čega se zbog difuzije ubrzavaju metabolički procesi. Promjena u protoku različitih tvari kroz citoplazmatsku membranu dovodi do promjena u sastavu unutarstaničnog okoliša i mikrookoliša stanice. To utječe na brzinu biokemijskih reakcija koje uključuju enzime koji su osjetljivi na sadržaj određenih ili

drugi ioni. U nekim slučajevima, promjena u sastavu okoliša unutar stanice može dovesti do ubrzanja enzimskih reakcija, što se opaža kada su stanice izložene ultrazvuku niskog intenziteta.

Mnogi intracelularni enzimi aktivirani su ionima kalija. Stoga, s povećanjem intenziteta ultrazvuka, učinak suzbijanja enzimskih reakcija u stanici postaje vjerojatniji, budući da se kao rezultat depolarizacije staničnih membrana smanjuje koncentracija kalijevih iona u unutarstaničnom okruženju.

Učinak ultrazvuka na stanice može biti popraćen sljedećim fenomenima:

Kršenje mikrookruženja staničnih membrana u obliku promjena gradijenata koncentracije različitih tvari u blizini membrana, promjena viskoznosti okoliša unutar i izvan stanice;

Promjene u propusnosti staničnih membrana u obliku ubrzanja normalne i olakšane difuzije, promjene u učinkovitosti aktivnog transporta, poremećaj strukture membrane;

Povreda sastava intracelularnog okoliša u obliku promjena u koncentraciji različitih tvari u stanici, promjena viskoznosti;

Promjene u brzinama enzimskih reakcija u stanici zbog promjena optimalnih koncentracija tvari potrebnih za funkcioniranje enzima.

Promjena propusnosti staničnih membrana univerzalni je odgovor na izlaganje ultrazvuku, bez obzira koji od ultrazvučnih čimbenika koji djeluju na stanicu u pojedinom slučaju dominira.

Pri dovoljno visokom intenzitetu ultrazvuka dolazi do razaranja membrane. Međutim, različite stanice imaju različit otpor: neke stanice se uništavaju pri intenzitetu od 0,1 W/cm2, druge - pri 25 W/cm2.

U određenom rasponu intenziteta opaženi biološki učinci ultrazvuka su reverzibilni. Gornja granica ovog intervala od 0,1 W/cm 2 na frekvenciji od 0,8-2 MHz prihvaćena je kao prag. Prekoračenje ove granice dovodi do izraženih destruktivnih promjena u stanicama.

Uništavanje mikroorganizama

Za uništavanje bakterija i virusa prisutnih u tekućini koristi se ultrazvučno zračenje intenzitetom većim od praga kavitacije.

5.5. Primjena ultrazvuka u medicini: terapija, kirurgija, dijagnostika

Deformacije pod utjecajem ultrazvuka koriste se kod mljevenja ili dispergiranja medija.

Fenomen kavitacije koristi se za dobivanje emulzija tekućina koje se ne miješaju i za čišćenje metala od kamenca i masnih filmova.

Ultrazvučna terapija

Terapeutski učinak ultrazvuka određen je mehaničkim, toplinskim i kemijskim čimbenicima. Njihovo zajedničko djelovanje poboljšava propusnost membrane, širi krvne žile, poboljšava metabolizam, što pomaže u uspostavljanju ravnoteže u tijelu. Doziranim ultrazvučnim snopom može se izvesti blaga masaža srca, pluća i drugih organa i tkiva.

U otorinolaringologiji ultrazvukom se djeluje na bubnjić i nosnu sluznicu. Na ovaj način provodi se sanacija kroničnog curenja nosa i bolesti maksilarnih šupljina.

FONOFOREZA - unošenje ljekovitih tvari u tkiva kroz pore kože pomoću ultrazvuka. Ova metoda je slična elektroforezi, međutim, za razliku od električnog polja, ultrazvučno polje pomiče ne samo ione, već i nenaplaćenčestice. Pod utjecajem ultrazvuka povećava se propusnost staničnih membrana, što olakšava prodiranje lijekova u stanicu, dok se kod elektroforeze lijekovi koncentriraju uglavnom između stanica.

AUTOHEMOTERAPIJA - intramuskularna injekcija vlastite krvi osobe uzete iz vene. Ovaj se postupak pokazuje učinkovitijim ako se uzeta krv prije infuzije ozrači ultrazvukom.

Ultrazvučno zračenje povećava osjetljivost stanica na djelovanje kemikalija. To vam omogućuje stvaranje manje štetnih

cjepiva, budući da se u njihovoj proizvodnji mogu koristiti kemijski reagensi niže koncentracije.

Prethodno izlaganje ultrazvuku pojačava učinak γ- i mikrovalnog zračenja na tumore.

U farmaceutskoj industriji ultrazvuk se koristi za proizvodnju emulzija i aerosola određenih ljekovitih tvari.

U fizioterapiji ultrazvuk se koristi za lokalno djelovanje, koje se provodi pomoću odgovarajućeg emitera, apliciranog kontaktno kroz podlogu od masti na određeno područje tijela.

Ultrazvučna kirurgija

Ultrazvučna kirurgija dijeli se na dvije vrste, od kojih je jedna povezana s djelovanjem zvučnih vibracija na tkivo, a druga s primjenom ultrazvučnih vibracija na kirurški instrument.

Uništavanje tumora. Nekoliko emitera postavljenih na tijelo pacijenta emitira ultrazvučne zrake koje se fokusiraju na tumor. Intenzitet svakog snopa nije dovoljan da ošteti zdravo tkivo, ali na mjestu gdje se snopovi spajaju, intenzitet se povećava i tumor se uništava kavitacijom i toplinom.

U urologiji mehaničkim djelovanjem ultrazvuka drobe kamence u mokraćnom sustavu i time spašavaju pacijente od operacija.

Zavarivanje mekih tkiva. Ako spojite dvije prerezane krvne žile i pritisnete ih jednu uz drugu, nakon zračenja nastat će zavar.

Zavarivanje kostiju(ultrazvučna osteosinteza). Područje prijeloma ispunjava se usitnjenim koštanim tkivom pomiješanim s tekućim polimerom (cijakrinom), koji pod utjecajem ultrazvuka brzo polimerizira. Nakon zračenja nastaje jak zavar koji se postupno otapa i zamjenjuje koštanim tkivom.

Primjena ultrazvučnih vibracija na kirurške instrumente(skalpeli, turpije, igle) značajno smanjuje sile rezanja, smanjuje bol, djeluje hemostatski i sterilizirajuće. Amplituda vibracija alata za rezanje na frekvenciji od 20-50 kHz je 10-50 mikrona. Ultrazvučni skalpeli omogućuju izvođenje operacija na dišnim organima bez otvaranja prsnog koša,

operacije na jednjaku i krvnim žilama. Umetanjem dugačkog i tankog ultrazvučnog skalpela u venu mogu se uništiti zadebljanja kolesterola u žili.

Sterilizacija. Destruktivni učinak ultrazvuka na mikroorganizme koristi se za sterilizaciju kirurških instrumenata.

U nekim slučajevima, ultrazvuk se koristi u kombinaciji s drugim fizičkim utjecajima, na primjer kriogeni, za kirurško liječenje hemangioma i ožiljaka.

Ultrazvučna dijagnostika

Ultrazvučna dijagnostika je skup metoda za proučavanje zdravog i bolesnog ljudskog tijela, koji se temelji na upotrebi ultrazvuka. Fizička osnova ultrazvučne dijagnostike je ovisnost parametara širenja zvuka u biološkim tkivima (brzina zvuka, koeficijent slabljenja, valna impedancija) o vrsti tkiva i njegovom stanju. Ultrazvučne metode omogućuju vizualizaciju unutarnjih struktura tijela, kao i proučavanje kretanja bioloških objekata unutar tijela. Glavna značajka ultrazvučne dijagnostike je mogućnost dobivanja informacija o mekim tkivima koja neznatno variraju u gustoći ili elastičnosti. Ultrazvučna metoda istraživanja je vrlo osjetljiva, može se koristiti za otkrivanje formacija koje se ne otkrivaju rendgenskim zrakama, ne zahtijeva upotrebu kontrastnih sredstava, bezbolna je i nema kontraindikacija.

U dijagnostičke svrhe koristi se frekvencija ultrazvuka od 0,8 do 15 MHz. Niske frekvencije koriste se pri proučavanju duboko smještenih objekata ili pri proučavanju kroz koštano tkivo, visoke frekvencije - za vizualizaciju objekata koji se nalaze blizu površine tijela, za dijagnostiku u oftalmologiji, pri proučavanju površinski smještenih krvnih žila.

U ultrazvučnoj dijagnostici najviše se koriste eholokacijske metode koje se temelje na refleksiji ili raspršenju pulsirajućih ultrazvučnih signala. Ovisno o načinu dobivanja i prirodi prikaza informacija, uređaji za ultrazvučnu dijagnostiku dijele se u 3 skupine: jednodimenzionalni uređaji s indikacijom tipa A; jednodimenzionalni instrumenti s indikacijom tipa M; dvodimenzionalni uređaji s indikacijom tipa B.

Tijekom ultrazvučne dijagnostike pomoću uređaja tipa A, radijator koji emitira kratke (u trajanju od oko 10 -6 s) ultrazvučne impulse primjenjuje se na područje tijela koje se ispituje kroz kontaktnu tvar. U pauzama između impulsa uređaj prima impulse reflektirane od raznih nehomogenosti u tkivima. Nakon pojačanja ti se impulsi promatraju na ekranu katodne cijevi u obliku odstupanja snopa od vodoravne crte. Potpuni uzorak reflektiranih impulsa naziva se jednodimenzionalni ehogram tipa A. Slika 5.8 prikazuje ehogram dobiven tijekom ehoskopije oka.

Riža. 5.8. Ehoskopija oka A-metodom:

1 - odjek s prednje površine rožnice; 2, 3 - odjeci s prednje i stražnje površine leće; 4 - odjek iz retine i struktura stražnjeg pola očne jabučice

Ehogrami tkiva raznih vrsta međusobno se razlikuju po broju impulsa i njihovoj amplitudi. Analiza ehograma tipa A u mnogim slučajevima omogućuje dobivanje dodatnih informacija o stanju, dubini i proširenosti patološkog područja.

Jednodimenzionalni uređaji s indikacijom tipa A koriste se u neurologiji, neurokirurgiji, onkologiji, opstetriciji, oftalmologiji i drugim područjima medicine.

U uređajima s indikacijom tipa M reflektirani impulsi se nakon pojačanja dovode do modulirajuće elektrode katodne cijevi i prikazuju se u obliku crtica čija je svjetlina povezana s amplitudom impulsa, a širina je vezano za njegovo trajanje. Razvoj ovih linija u vremenu daje sliku pojedinačnih reflektirajućih struktura. Ova vrsta indikacije naširoko se koristi u kardiografiji. Ultrazvučni kardiogram može se snimati pomoću katodne cijevi s memorijom ili na papirnati magnetofon. Ova metoda bilježi pokrete srčanih elemenata, što omogućuje određivanje stenoze mitralnog zaliska, urođene srčane mane itd.

Kada koristite metode snimanja tipa A i M, sonda je u fiksnom položaju na tijelu pacijenta.

U slučaju indikacije tipa B, sonda se pomiče (skenira) po površini tijela, a na ekranu katodne cijevi snima se dvodimenzionalni ehogram koji reproducira presjek ispitivanog područja tijelo.

Varijanta metode B je višestruko skeniranje, u kojem je mehaničko kretanje senzora zamijenjeno sekvencijalnim električnim preklapanjem određenog broja elemenata smještenih na istoj liniji. Višestruko skeniranje omogućuje promatranje odjeljaka koji se proučavaju u gotovo stvarnom vremenu. Druga varijanta metode B je sektorsko skeniranje, kod kojeg nema pomicanja eho sonde, ali se mijenja kut uvođenja ultrazvučne zrake.

Ultrazvučni uređaji s indikacijom tipa B koriste se u onkologiji, opstetriciji i ginekologiji, urologiji, otorinolaringologiji, oftalmologiji itd. Modifikacije uređaja tipa B s multiscanningom i sektorskim skeniranjem koriste se u kardiologiji.

Sve eholokacijske metode ultrazvučne dijagnostike omogućuju, na ovaj ili onaj način, registraciju granica područja s različitim valnim impedancijama unutar tijela.

Nova metoda ultrazvučne dijagnostike - rekonstruktivna (ili kompjutorska) tomografija - daje prostornu raspodjelu parametara širenja zvuka: koeficijent prigušenja (atenuacijska modifikacija metode) ili brzina zvuka (refrakcijska modifikacija). U ovoj metodi, dio predmeta koji se proučava više puta se ozvučava u različitim smjerovima. Podaci o koordinatama sondiranja i odzivnih signala obrađuju se na računalu, uslijed čega se na zaslonu prikazuje rekonstruirani tomogram.

Nedavno se metoda počela uvoditi elastometrija za proučavanje jetrenog tkiva kako normalno tako iu različitim fazama mikroze. Suština metode je sljedeća. Senzor je postavljen okomito na površinu tijela. Pomoću vibratora ugrađenog u senzor stvara se niskofrekventni zvučni mehanički val (ν = 50 Hz, A = 1 mm), čija se brzina širenja kroz donje tkivo jetre procjenjuje ultrazvukom frekvencije ν = 3,5 MHz (u biti, provodi se eholokacija). Korištenje

modul E (elastičnost) tkanine. Bolesniku se u interkostalnim prostorima u projekciji položaja jetre izvodi serija mjerenja (najmanje 10). Svi podaci se analiziraju automatski; uređaj daje kvantitativnu procjenu elastičnosti (gustoće), koja se prikazuje numerički iu boji.

Za dobivanje informacija o pokretnim strukturama tijela koriste se metode i instrumenti čiji se rad temelji na Dopplerovom efektu. Takvi uređaji obično sadrže dva piezoelementa: ultrazvučni emiter koji radi u kontinuiranom načinu rada i prijemnik reflektiranih signala. Mjerenjem Dopplerovog pomaka frekvencije ultrazvučnog vala reflektiranog od pokretnog objekta (npr. od stijenke posude) određuje se brzina gibanja reflektirajućeg objekta (vidi formulu 2.9). Najnapredniji uređaji ove vrste koriste pulsno-dopplersku (koherentnu) metodu lociranja, koja omogućuje izolaciju signala s određene točke u prostoru.

Uređaji koji koriste Doppler efekt koriste se za dijagnosticiranje bolesti kardiovaskularnog sustava (određivanje

pokreti dijelova srca i stijenki krvnih žila), u opstetriciji (proučavanje otkucaja srca ploda), za proučavanje krvotoka itd.

Organi se ispituju kroz jednjak, s kojim graniče.

Usporedba ultrazvučnog i rendgenskog "svijećenja"

U nekim slučajevima ultrazvučno skeniranje ima prednost u odnosu na rendgensko snimanje. To je zbog činjenice da X-zrake daju jasnu sliku "tvrdog" tkiva na pozadini "mekog" tkiva. Na primjer, kosti su jasno vidljive na pozadini mekog tkiva. Za dobivanje rendgenske slike mekih tkiva u odnosu na pozadinu drugih mekih tkiva (na primjer, krvne žile u pozadini mišića), žila mora biti ispunjena tvari koja dobro apsorbira rendgensko zračenje (kontrastno sredstvo). . Ultrazvučna transiluminacija, zahvaljujući već spomenutim značajkama, u ovom slučaju daje sliku bez upotrebe kontrastnih sredstava.

Rentgenski pregled razlikuje razliku gustoće do 10%, a ultrazvuk - do 1%.

5.6. Infrazvuk i njegovi izvori

Infrazvuk- elastične vibracije i valovi s frekvencijama koje leže ispod raspona frekvencija koje ljudi mogu čuti. Obično se 16-20 Hz uzima kao gornja granica raspona infrazvuka. Ova je definicija uvjetna, budući da se s dovoljnim intenzitetom slušna percepcija također javlja na frekvencijama od nekoliko Hz, iako u ovom slučaju nestaje tonska priroda osjeta i samo se razlikuju pojedinačni ciklusi oscilacija. Donja granica frekvencije infrazvuka je neizvjesna; njegovo trenutno područje proučavanja proteže se do oko 0,001 Hz.

Infrazvučni valovi se šire u zraku i vodi, kao i u zemljinoj kori (seizmički valovi). Glavna značajka infrazvuka, zbog niske frekvencije, je mala apsorpcija. Kada se šire u dubokom moru i atmosferi na razini tla, infrazvučni valovi frekvencije 10-20 Hz slabe na udaljenosti od 1000 km za najviše nekoliko decibela. Poznato je da zvukovi

Vulkanske erupcije i atomske eksplozije mogu mnogo puta obići svijet. Zbog velike valne duljine, raspršenje infrazvuka je također malo. U prirodnim okruženjima zamjetno raspršenje stvaraju samo vrlo veliki objekti - brda, planine, visoke zgrade.

Prirodni izvori infrazvuka su meteorološke, seizmičke i vulkanske pojave. Infrazvuk stvaraju atmosferske i oceanske turbulentne fluktuacije tlaka, vjetar, morski valovi (uključujući plimne valove), vodopadi, potresi i klizišta.

Izvori infrazvuka povezani s ljudskim djelovanjem su eksplozije, pucnjevi, udarni valovi nadzvučnih letjelica, udari zabijača, rad mlaznih motora itd. Infrazvuk je sadržan u buci motora i tehnološke opreme. Vibracije zgrada koje stvaraju industrijski i kućni patogeni u pravilu sadrže infrazvučne komponente. Buka prometa značajno doprinosi infrazvučnom onečišćenju okoliša. Na primjer, osobni automobili pri brzini od 100 km/h stvaraju infrazvuk intenziteta do 100 dB. U motornom prostoru velikih brodova zabilježene su infrazvučne vibracije koje stvaraju motori koji rade s frekvencijom od 7-13 Hz i razinom intenziteta od 115 dB. Na gornjim katovima visokih zgrada, osobito pri jakom vjetru, razina intenziteta infrazvuka doseže

Infrazvuk je gotovo nemoguće izolirati - na niskim frekvencijama svi materijali koji apsorbiraju zvuk gotovo potpuno gube svoju učinkovitost.

5.7. Utjecaj infrazvuka na čovjeka. Primjena infrazvuka u medicini

Infrazvuk, u pravilu, ima negativan učinak na ljude: uzrokuje depresivno raspoloženje, umor, glavobolju i iritaciju. Osoba izložena infrazvuku niskog intenziteta osjeća simptome morske bolesti, mučninu i vrtoglavicu. Javlja se glavobolja, pojačava se umor, slabi sluh. Na frekvenciji od 2-5 Hz

i intenziteta 100-125 dB, subjektivna reakcija se svodi na osjećaj pritiska u uhu, otežano gutanje, forsiranu modulaciju glasa i otežan govor. Izloženost infrazvuku negativno utječe na vid: pogoršavaju se vidne funkcije, smanjuje se vidna oštrina, sužava se vidno polje, slabi akomodacijska sposobnost, narušava se stabilnost fiksacije oka promatranog predmeta.

Buka na frekvenciji od 2-15 Hz na razini intenziteta od 100 dB dovodi do povećanja pogreške praćenja pokazivača brojčanika. Javlja se grčevito trzanje očne jabučice i poremećaj rada organa za ravnotežu.

Piloti i kozmonauti koji su tijekom treninga bili izloženi infrazvuku bili su sporiji u rješavanju čak i jednostavnih aritmetičkih problema.

Postoji pretpostavka da su razne anomalije u stanju ljudi u lošem vremenu, koje se objašnjavaju klimatskim uvjetima, zapravo posljedica utjecaja infrazvučnih valova.

Pri umjerenom intenzitetu (140-155 dB) može doći do nesvjestice i privremenog gubitka vida. Pri visokim intenzitetima (oko 180 dB) može doći do paralize sa smrtnim ishodom.

Smatra se da je negativan utjecaj infrazvuka posljedica činjenice da se prirodne frekvencije vibracija nekih organa i dijelova ljudskog tijela nalaze u infrazvučnom području. To uzrokuje neželjene pojave rezonancije. Navedimo neke frekvencije prirodnih oscilacija za čovjeka:

Ljudsko tijelo u ležećem položaju - (3-4) Hz;

Prsa - (5-8) Hz;

Trbuh - (3-4) Hz;

Oči - (12-27) Hz.

Posebno su štetni učinci infrazvuka na srce. S dovoljnom snagom dolazi do prisilnih oscilacija srčanog mišića. Pri rezonanciji (6-7 Hz) njihova amplituda raste, što može dovesti do krvarenja.

Primjena infrazvuka u medicini

Posljednjih godina infrazvuk se široko koristi u medicinskoj praksi. Dakle, u oftalmologiji, infrazvučni valovi

s frekvencijama do 12 Hz koriste se u liječenju miopije. U liječenju bolesti vjeđa infrazvuk se koristi za fonoforezu (sl. 5.9), kao i za čišćenje površina rane, poboljšanje hemodinamike i regeneracije u vjeđama, masažu (sl. 5.10) itd.

Slika 5.9 prikazuje upotrebu infrazvuka za liječenje abnormalnosti suznog kanala u novorođenčadi.

U jednoj fazi liječenja provodi se masaža suzne vrećice. U ovom slučaju, generator infrazvuka stvara višak tlaka u suznoj vrećici, što pridonosi pucanju embrionalnog tkiva u suznom kanalu.

Riža. 5.9. Shema infrazvučne fonoforeze

Riža. 5.10. Masaža suzne vrećice

5.8. Osnovni pojmovi i formule. Stolovi

Tablica 5.1. Koeficijent apsorpcije i dubina poluapsorpcije na frekvenciji od 1 MHz

Tablica 5.2. Koeficijent refleksije na granicama različitih tkiva

5.9. Zadaci

1. Refleksija valova od malih nehomogenosti postaje vidljiva kada njihova veličina premašuje valnu duljinu. Procijenite minimalnu veličinu d bubrežnog kamenca koji se može otkriti ultrazvučnom dijagnostikom na frekvenciji ν = 5 MHz. Brzina ultrazvučnog vala v= 1500 m/s.

Riješenje

Nađimo valnu duljinu: λ = v/ν = 1500/(5*10 6) = 0,0003 m = 0,3 mm. d > λ.

Odgovor: d > 0,3 mm.

2. Neki fizioterapijski postupci koriste ultrazvuk frekvencije ν = 800 kHz i intenziteta I = 1 W/cm2. Odredite amplitudu vibracije molekula mekog tkiva.

Riješenje

Intenzitet mehaničkih valova određuje se formulom (2.6)

Gustoća mekih tkiva je ρ « 1000 kg/m 3 .

kružna frekvencija ω = 2πν ≈ 2x3,14x800x10 3 ≈ 5x10 6 s -1 ;

brzina ultrazvuka u mekim tkivima ν ≈ 1500 m/s.

Potrebno je preračunati intenzitet u SI: I = 1 W/cm 2 = 10 4 W/m 2 .

Zamjenom brojčanih vrijednosti u posljednju formulu nalazimo:

Tako mali pomak molekula tijekom prolaska ultrazvuka ukazuje na to da se njegov učinak očituje na staničnoj razini. Odgovor: A = 0,023 µm.

3. Kvaliteta čeličnih dijelova provjerava se ultrazvučnim detektorom nedostataka. Na kojoj je dubini h u dijelu otkrivena pukotina i kolika je debljina d dijela ako su nakon emitiranja ultrazvučnog signala primljena dva reflektirana signala na 0,1 ms i 0,2 ms? Brzina širenja ultrazvučnog vala u čeliku jednaka je v= 5200 m/s.

Riješenje

2h = tv →h = tv/2. Odgovor: h = 26 cm; d = 52 cm.