Peredam akustik aktif suara USG dan infrasonik. Ensiklopedia sekolah

USG:

Apa itu USG;
Pengaruh USG pada tubuh manusia;
Penggunaan USG dalam industri dan perekonomian;
Prospek penggunaan USG.

Infrasonik:

Apa itu infrasonik;
Pengaruh infrasonik pada tubuh manusia;
Anomali infrasonik;
Hewan yang menggunakan infrasonik;
Prospek penggunaan infrasonik;
Kesimpulan

USG

1. Apa itu USG?

Baru-baru ini, proses teknologi yang didasarkan pada penggunaan energi ultrasonik semakin meluas dalam produksi. Ultrasonografi juga telah diterapkan dalam pengobatan. Karena peningkatan kekuatan unit dan kecepatan berbagai unit dan mesin, tingkat kebisingan meningkat, termasuk dalam rentang frekuensi ultrasonik.

Ultrasonografi adalah getaran mekanis suatu media elastis dengan frekuensi melebihi batas atas audibilitas -20 kHz. Satuan tingkat tekanan bunyi adalah dB. Satuan pengukuran intensitas USG adalah watt per sentimeter persegi (W/s2). Telinga manusia tidak dapat merasakan USG, namun beberapa hewan, seperti kelelawar, dapat mendengar dan menghasilkan USG. Hal ini sebagian dirasakan oleh hewan pengerat, kucing, anjing, paus, dan lumba-lumba. Getaran ultrasonik terjadi selama pengoperasian mesin mobil, peralatan mesin, dan mesin roket.

Karena frekuensinya yang tinggi (panjang gelombang pendek), USG mempunyai sifat khusus. Jadi, seperti cahaya, gelombang ultrasonik dapat membentuk sinar yang terarah. Pemantulan dan pembiasan berkas-berkas ini pada batas dua media mematuhi hukum optik geometris. Ia diserap dengan kuat oleh gas dan lemah oleh cairan. Dalam cairan di bawah pengaruh ultrasound, rongga terbentuk dalam bentuk gelembung kecil dengan peningkatan tekanan jangka pendek di dalamnya. Selain itu, gelombang ultrasonik mempercepat proses difusi.

Sifat-sifat USG dan kekhasan interaksinya dengan lingkungan menentukan penggunaan teknis dan medisnya yang luas. USG digunakan dalam kedokteran dan biologi untuk ekolokasi, untuk mengidentifikasi dan mengobati tumor dan beberapa cacat pada jaringan tubuh, dalam pembedahan dan traumatologi untuk memotong jaringan lunak dan tulang selama berbagai operasi, untuk mengelas tulang yang patah, untuk menghancurkan sel (USG daya tinggi). Dalam terapi ultrasound, osilasi 800-900 kHz digunakan untuk tujuan terapeutik.

2. Pengaruh USG pada tubuh manusia

Ultrasonografi terutama memiliki efek lokal pada tubuh, karena ditransmisikan melalui kontak langsung dengan instrumen ultrasonik, benda kerja, atau lingkungan di mana getaran ultrasonik tereksitasi. Getaran ultrasonik yang dihasilkan oleh peralatan industri frekuensi rendah ultrasonik mempunyai efek buruk pada tubuh manusia. Paparan sistematis USG udara dalam jangka panjang menyebabkan perubahan pada sistem saraf, kardiovaskular dan endokrin, penganalisis pendengaran dan vestibular.

Di bidang getaran ultrasonik pada jaringan hidup, ultrasound memiliki efek mekanis, termal, fisikokimia (pijat mikro sel dan jaringan). Pada saat yang sama, proses metabolisme diaktifkan dan sifat kekebalan tubuh meningkat.

3. Penggunaan USG dalam industri dan perekonomian

Saat ini, USG digunakan di banyak industri. Diantaranya: kedokteran, geologi, industri baja, industri militer, dll. Ultrasonografi digunakan sangat intensif dalam geologi; ada ilmu khusus - geofisika.

Dengan menggunakan ultrasound, ahli geofisika menemukan endapan mineral berharga dan menentukan kedalaman lokasinya. Dalam industri pengecoran logam, USG digunakan untuk mendiagnosis keadaan kisi kristal logam. Ketika "mendengarkan" pipa dan balok produk berkualitas tinggi, sinyal tertentu diperoleh, tetapi jika produk memiliki sesuatu yang berbeda dari norma (kepadatan, cacat desain), sinyalnya akan berbeda, yang akan menunjukkan kepada insinyur bahwa itu rusak.

Dikelilingi oleh kapal musuh, kapal selam hanya memiliki satu cara aman untuk menghubungi pangkalan - mengirimkan sinyal di lingkungan perairan. Untuk ini, sinyal ultrasonik terkondisi khusus dengan frekuensi tertentu digunakan - hampir tidak mungkin untuk mencegat pesan seperti itu, karena Untuk melakukan ini, Anda perlu mengetahui frekuensinya, waktu transmisi yang tepat, dan “rute”. Namun, mengirimkan sinyal dari perahu juga merupakan prosedur yang rumit - semua kedalaman, suhu air, dll harus diperhitungkan. Pangkalan, yang menerima sinyal dan mengetahui waktu perjalanannya, dapat menghitung jarak ke kapal dan, sebagai hasilnya, lokasinya. Armada kapal selam juga menggunakan pulsa ultrasonik pendek khusus yang dikirim melalui sonar langsung dari kapal selam; impuls dipantulkan dari objek - batu, kapal lain, dan dengan bantuannya arah dan jarak ke rintangan dihitung (teknik yang dipinjam dari predator nokturnal - kelelawar).

Pemandian ultrasonik juga digunakan untuk desinfeksi instrumen dan untuk tujuan kosmetik - pijat kaki, tangan, dan wajah. Pelembab dan nozel udara ultrasonik, serta pengukur jarak, sangat efektif (radar kecepatan polisi lalu lintas yang terkenal juga menggunakan pulsa ultrasonik).

4. Prospek penggunaan USG

Di masa depan, gelombang ultrasonik diharapkan akan digunakan lebih luas untuk keperluan kosmetik - para ilmuwan sudah menggunakan ultrasound untuk membersihkan pori-pori, menyegarkan, dan meremajakan kulit yang menua - pengelupasan ultrasonik. Pekerjaan sedang dilakukan untuk membuat senjata ultrasonik, serta mengembangkan sistem perlindungan terhadap senjata tersebut. Diharapkan USG akan digunakan lebih luas di rumah tangga.

Infrasonik

5. Apa itu infrasonik?

Perkembangan teknologi dan kendaraan, peningkatan proses dan peralatan teknologi disertai dengan peningkatan daya dan dimensi mesin, yang menentukan kecenderungan peningkatan komponen frekuensi rendah dalam spektrum dan munculnya infrasonik, yaitu a faktor yang relatif baru dan belum sepenuhnya dipelajari dalam lingkungan produksi.

Infrasonik mengacu pada getaran akustik dengan frekuensi di bawah 20 Hz. Rentang frekuensi ini berada di bawah ambang batas kemampuan mendengar dan telinga manusia tidak mampu merasakan getaran frekuensi tersebut. Infrasonik industri terjadi karena proses yang sama seperti kebisingan pada frekuensi yang dapat didengar. Intensitas getaran infrasonik terbesar diciptakan oleh mesin dan mekanisme yang memiliki permukaan besar yang melakukan getaran mekanis frekuensi rendah (infrasonik yang berasal dari mekanis) atau aliran turbulen gas dan cairan (infrasonik yang berasal dari aerodinamis atau hidrodinamik). Tingkat maksimum getaran akustik frekuensi rendah dari sumber industri dan transportasi mencapai 100-110 dB.

6. Pengaruh infrasonik pada tubuh manusia

Studi tentang efek biologis infrasonik pada tubuh telah menunjukkan bahwa pada tingkat 110 hingga 150 dB atau lebih, hal itu dapat menyebabkan sensasi subjektif yang tidak menyenangkan dan banyak perubahan reaktif pada manusia, termasuk perubahan pada sistem saraf pusat, kardiovaskular, dan pernapasan, dan penganalisa vestibular. Terdapat bukti bahwa infrasonik menyebabkan gangguan pendengaran terutama pada frekuensi rendah dan menengah. Tingkat keparahan perubahan ini bergantung pada tingkat intensitas infrasonik dan durasi faktor tersebut.

Infrasonik bukanlah fenomena yang baru ditemukan. Faktanya, hal ini telah dikenal oleh para organis selama lebih dari 250 tahun. Banyak katedral dan gereja memiliki pipa organ yang sangat panjang sehingga menghasilkan suara dengan frekuensi kurang dari 20 Hz, yang tidak dapat didengar oleh telinga manusia. Namun, seperti yang ditemukan oleh para peneliti Inggris, infrasonik semacam itu dapat menimbulkan berbagai perasaan yang tidak terlalu menyenangkan bagi penontonnya - melankolis, perasaan dingin, cemas, gemetar di tulang belakang. Orang yang terkena infrasonik mengalami sensasi yang kurang lebih sama seperti saat mengunjungi tempat terjadinya pertemuan dengan hantu.

7. Anomali infrasonik

Garis pantai Amerika Utara di sekitar Cape Hatteras, Semenanjung Florida, dan pulau Kuba membentuk reflektor raksasa. Badai yang terjadi di Samudera Atlantik menghasilkan gelombang infrasonik yang dipantulkan dari reflektor ini terfokus di kawasan Segitiga Bermuda. Dimensi kolosal dari struktur pemfokusan menunjukkan adanya area di mana getaran infrasonik dapat mencapai nilai yang signifikan, yang menjadi penyebab fenomena anomali yang terjadi di sini. Seperti diketahui, getaran infrasonik yang kuat menimbulkan rasa takut panik pada seseorang disertai keinginan untuk melarikan diri dari ruang terbatas. Jelas sekali, perilaku ini merupakan konsekuensi dari reaksi “naluriah” terhadap infrasonik yang dikembangkan di masa lalu sebagai pertanda gempa bumi. Reaksi inilah yang menyebabkan awak dan penumpang meninggalkan kapalnya dengan panik. Mereka bisa naik ke perahu dan berenang menjauh dari kapalnya, atau berlari ke geladak dan melemparkan dirinya ke laut. Jika intensitas infrasonik sangat tinggi, mereka bahkan bisa mati - jika beresonansi dengan bioritme manusia, infrasonik dengan intensitas sangat tinggi dapat menyebabkan kematian seketika.

Infrasonik dapat menyebabkan getaran resonansi pada tiang kapal, yang menyebabkan kerusakannya (dampak infrasonik pada elemen struktur pesawat dapat menyebabkan konsekuensi serupa). Getaran suara berfrekuensi rendah dapat menyebabkan munculnya kabut tebal (“seperti susu”) di atas lautan yang muncul dengan cepat dan juga menghilang dengan cepat. Dan terakhir, infrasonik dengan frekuensi 5-7 hertz dapat beresonansi dengan pendulum jam tangan mekanis yang memiliki periode osilasi yang sama.

Jelas sekali, struktur fokus serupa juga terdapat di wilayah lain di dunia. Rupanya, kepanikan yang disebabkan oleh getaran infrasonik yang kuat di salah satu bangunan ini menjadi “titik awal” mitos sirene...

Infrasonik dapat merambat di bawah air, dan struktur fokus dapat dibentuk oleh topografi dasar. Sumber getaran infrasonik dapat berupa gunung berapi bawah laut dan gempa bumi. Tentu saja, bentuk reflektor “lanskap” masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kita harus berbicara tentang sistem elemen reflektif yang spesifik untuk setiap kasus. Dengan dimensi yang sepadan dengan panjang gelombang, strukturnya dapat beresonansi.

8. Hewan menggunakan infrasonik

Ilmuwan Amerika telah menemukan bahwa harimau dan gajah tidak hanya menggunakan geraman, dengkuran atau raungan dan seruan terompet untuk berkomunikasi satu sama lain, tetapi juga infrasonik, yaitu sinyal suara berfrekuensi sangat rendah yang tidak terdengar oleh telinga manusia. Menurut para ilmuwan, infrasonik memungkinkan hewan untuk menjaga komunikasi pada jarak hingga 8 kilometer, karena perambatan sinyal infrasonik hampir tidak sensitif terhadap gangguan yang disebabkan oleh medan, dan sedikit bergantung pada faktor cuaca dan iklim seperti kelembaban udara.

Kini para ilmuwan bermaksud mencari tahu apakah spektrum frekuensi suara harimau memiliki karakteristik individu yang memungkinkan mereka mengidentifikasi hewan. Hal ini akan sangat memudahkan pencatatan ternak mereka.

Saat mempelajari perilaku sekelompok gajah di Kebun Binatang Portland di Oregon, sekelompok peneliti “merasakan” getaran yang tidak biasa di udara. Dengan menggunakan sistem pendeteksi suara elektronik yang canggih, para peneliti menemukan bahwa ini adalah gelombang infrasonik yang dipancarkan gajah. Saat mengamati gajah yang berkeliaran bebas di Kenya, para peneliti menggunakan peralatan yang sama untuk mencatat jenis gelombang yang persis sama. Para ilmuwan telah menyimpulkan bahwa hewan menggunakan suara frekuensi rendah untuk berkomunikasi satu sama lain dalam jarak beberapa kilometer.

Para ilmuwan berharap di masa depan, setelah menentukan arti sinyal infrasonik, untuk melanjutkan ke tahap eksperimen yang paling menarik - menjalin kontak dengan gajah dengan bantuan mereka.

9. Prospek penggunaan infrasonik

Kini para ilmuwan sedang mengembangkan apa yang disebut “senjata infrasonik”. Gelombang suara berfrekuensi rendah rencananya akan digunakan di sini sebagai “pembangkit panik”. Dalam hal ini, infrasonik jauh lebih nyaman daripada gelombang frekuensi tinggi, karena infrasonik itu sendiri menimbulkan ancaman bagi kesehatan manusia. Frekuensi sistem saraf dan jantung kita terletak pada kisaran infrasonik - 6 Hz. Peniruan frekuensi-frekuensi ini menyebabkan kesehatan yang buruk, ketakutan yang tidak beralasan, kepanikan, kegilaan, dan, akhirnya, kematian.

10. Kesimpulan

Setelah menyelesaikan pekerjaan ini - mengumpulkan, memproses, dan merangkum sejumlah besar materi tentang masalah ini, kami belajar banyak tentang sifat bunyi. Tentang bahayanya bagi tubuh manusia, dan seberapa luas penggunaannya dalam rumah tangga. Hipotesis yang paling menarik bagi kami adalah tentang sifat “kagum”, rasa kagum orang-orang di kuil. Kami menganggap penelitian metode komunikasi hewan dan, tentu saja, penggunaan infrasonik untuk memprediksi lokasi dan waktu letusan dan gempa bumi di masa depan sangat menjanjikan.

USG:

Apa itu USG;
Pengaruh USG pada tubuh manusia;
Penggunaan USG dalam industri dan perekonomian;
Prospek penggunaan USG.

Infrasonik:

Apa itu infrasonik;
Pengaruh infrasonik pada tubuh manusia;
Anomali infrasonik;
Hewan yang menggunakan infrasonik;
Prospek penggunaan infrasonik;
Kesimpulan

USG

1. Apa itu USG?

2. Pengaruh USG pada tubuh manusia

3. Penggunaan USG dalam industri dan perekonomian

4. Prospek penggunaan USG

Infrasonik

5. Apa itu infrasonik?

6. Pengaruh infrasonik pada tubuh manusia

7. Anomali infrasonik

8. Hewan menggunakan infrasonik

Para ilmuwan berharap di masa depan, setelah menentukan arti sinyal infrasonik, untuk melanjutkan ke tahap eksperimen yang paling menarik - menjalin kontak dengan gajah dengan bantuan mereka.

9. Prospek penggunaan infrasonik

10. Kesimpulan

USG– getaran elastis dengan frekuensi di atas 20 ribu Hz. Mungkin timbul dari sumber mekanik, elektromagnetik dan termal. Ketika frekuensi getaran ultrasonik meningkat, penyerapannya oleh lingkungan meningkat dan kedalaman penetrasi ke dalam jaringan manusia menurun. Penyerapan USG disertai dengan pemanasan medium. USG dibagi menjadi:

frekuensi rendah

· frekuensi tinggi;

· udara;

· kontak.

Getaran suara frekuensi rendah merambat dengan baik di udara.

Saat ini USG banyak digunakan di berbagai bidang teknologi dan industri, terutama untuk analisis dan pengendalian: deteksi cacat, analisis struktur zat, penentuan sifat fisik dan kimia bahan, dll.

Proses teknologi: pembersihan dan penghilangan lemak bagian, pemrosesan mekanis bahan keras dan rapuh, pengelasan, penyolderan, pelapisan timah, proses elektrolitik, percepatan reaksi kimia - gunakan getaran ultrasonik frekuensi rendah dari 18 hingga 30 KHz dan daya tinggi - hingga 6- 7 W/cm². Sumber USG yang paling umum adalah transduser piezoelektrik dan magnetik. Selain itu, dalam kondisi industri, USG LF sering dihasilkan selama proses aerodinamis: pengoperasian mesin jet, turbin gas, mesin udara bertenaga, dll.

Ultrasonografi telah banyak digunakan dalam pengobatan untuk pengobatan penyakit tulang belakang, persendian, sistem saraf tepi, serta untuk melakukan operasi bedah dan diagnostik. Pada tahun 2002, ilmuwan Amerika mengembangkan metode untuk menghilangkan tumor otak yang tidak dapat menerima pengobatan bedah konvensional. Hal ini didasarkan pada prinsip yang digunakan dalam pengangkatan katarak - menghancurkan formasi patologis dengan ultrasound terfokus.

Pada tahun 2006, para dokter dari Universitas Kanada di Alberta mengembangkan teknologi yang dengannya mereka belajar menggunakan gelombang ultrasonik berintensitas rendah untuk merangsang pertumbuhan kembali gigi yang copot dan tanggal.

Ultrasonografi diagnostik telah digunakan secara intensif selama tiga dekade selama kehamilan dan untuk penyakit pada organ tertentu. Ultrasonografi, ketika menemui hambatan berupa organ manusia atau janin, menentukan keberadaan dan ukurannya. Intensitas USG terapeutik yang paling sering digunakan tidak melebihi 0,2-0,4 W/cm²; Frekuensi getaran ultrasonik yang digunakan untuk diagnostik berkisar antara 800 KHz hingga 20 MHz, intensitasnya bervariasi dari 0,01 hingga 20 W/cm² atau lebih. Bedah saraf menggunakan peralatan elektronik dengan sinar frekuensi tinggi terfokus yang kuat (sekitar 1000 kHz).

Efek biologis paparan terhadap tubuh bergantung pada intensitas, durasi paparan, dan ukuran tubuh yang terpapar USG.

Paparan sistematis ultrasonik yang berkepanjangan di udara menyebabkan gangguan fungsional pada sistem saraf, kardiovaskular, endokrin, penganalisis pendengaran dan vestibular.

Orang yang bekerja dengan mesin ultrasound mengalami asthenia parah, hipotensi vaskular, dan penurunan aktivitas listrik jantung dan otak. Ada perubahan pada sistem saraf pusat yang bersifat refleks - perasaan takut dalam kegelapan, di ruang terbatas; serangan mendadak dengan peningkatan denyut jantung, keringat berlebih, kejang pada lambung, usus, dan kandung empedu.

Gejala yang paling khas adalah distonia vegetatif-vaskular dengan keluhan kelelahan hebat, sakit kepala dan rasa tertekan di kepala, sulit berkonsentrasi, terhambatnya proses berpikir, dan insomnia.

Dampak kontak USG frekuensi tinggi pada tangan menyebabkan terganggunya sirkulasi darah kapiler di tangan dan penurunan sensitivitas nyeri. Telah diketahui bahwa getaran ultrasonik dapat menyebabkan perubahan struktur tulang dengan penurunan kepadatan tulang.

Infrasonik– gelombang elastis, mirip dengan gelombang suara, tetapi frekuensinya lebih rendah daripada yang didengar manusia. Biasanya, 16-25 Hz dianggap sebagai batas atas rentang infrasonik (IS); batas bawah tidak ditentukan. Infrasonik terkandung dalam kebisingan atmosfer, hutan, dan laut. Sumber osilasi IR adalah pelepasan petir (guntur), ledakan, dan tembakan senjata. Osilasi IZ diamati di kerak bumi, yang dipicu oleh berbagai sumber, termasuk gempa bumi, ledakan, tanah longsor, dan kendaraan.

Infrasonik diserap dengan lemah di berbagai lingkungan, sehingga dapat merambat dalam jarak yang sangat jauh. Hal ini mempunyai aplikasi praktis dalam menentukan lokasi episentrum gempa bumi, ledakan besar, atau senjata api. Penyebaran radiasi jarak jauh di laut memungkinkan untuk memprediksi bencana alam (tsunami). Ledakan yang menghasilkan berbagai frekuensi IR digunakan untuk mempelajari lapisan atas atmosfer dan sifat-sifat lingkungan perairan.

Perkembangan produksi industri dan transportasi telah menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam sumber infrasonik di lingkungan dan peningkatan kadarnya. Sumber utama infrasonik buatan manusia di kota ditunjukkan pada tabel (Tabel 3):

Tabel 3

Dalam kondisi produksi, infrasonik biasanya dikombinasikan dengan kebisingan frekuensi rendah, dan dalam beberapa kasus dengan getaran frekuensi rendah.

Pada akhir tahun 60an, peneliti Perancis Gavreau menemukan bahwa gelombang infrasonik dengan frekuensi tertentu dapat menyebabkan kecemasan dan kegelisahan, sakit kepala, mengurangi perhatian dan kinerja, mengganggu fungsi sistem vestibular dan menyebabkan pendarahan dari hidung dan telinga. Profesor Gavreau mengemukakan bahwa efek biologis infrasonik muncul jika frekuensi gelombang bertepatan dengan ritme alfa otak manusia.

Mekanisme persepsi infrasonik dan efek fisiologisnya pada manusia belum sepenuhnya diketahui. Ada kemungkinan hal ini disebabkan oleh eksitasi getaran resonansi dalam tubuh. Dengan demikian, frekuensi alami alat vestibular kita mendekati 6 Hz, dan banyak orang yang akrab dengan sensasi tidak menyenangkan saat mengendarai bus, kereta api, berlayar di kapal, atau berayun dalam waktu lama. Infrasonik dengan frekuensi 7 Hz mematikan. Kemampuan infrasonik untuk menimbulkan rasa takut digunakan oleh polisi di sejumlah negara di dunia: untuk membubarkan massa, generator yang kuat dinyalakan, yang frekuensinya berbeda 5-9 Hz. Radiasi yang timbul akibat perbedaan frekuensi generator ini memiliki frekuensi IZ dan pada banyak orang menimbulkan perasaan takut yang tidak disadari dan keinginan untuk pergi secepat mungkin.

Di bawah pengaruh infrasonik, gambaran visual yang dihasilkan oleh mata kiri dan kanan mungkin berbeda, cakrawala mulai terdistorsi, dan masalah muncul dengan orientasi dalam ruang. Sensasi serupa disebabkan oleh denyut cahaya dengan frekuensi 4-8 Hz. Bahkan para pendeta Mesir, untuk menekan jiwa dan mendapatkan pengakuan dari tawanan, mengikatnya dan, dengan menggunakan cermin, mengarahkan sinar matahari yang berdenyut ke matanya. Setelah beberapa waktu, napi mulai kejang-kejang, mulutnya mulai berbusa, dan dia menjawab pertanyaan.

Bila tubuh terkena infrasonik pada tingkat 110-150 dB, gangguan dapat terjadi pada sistem saraf pusat, sistem kardiovaskular, sistem pernapasan, dan alat analisa vestibular. Adanya keluhan sakit kepala, pusing, telinga dan kepala berdenging, penurunan perhatian dan kinerja. Mungkin ada perasaan takut, mengantuk, kesulitan berbicara, ketidakseimbangan, kecemasan dan ketidakpastian, serta ketidakstabilan emosi.

USG adalah bunyi yang frekuensinya melebihi batas atas pendengaran manusia normal. Perangkat ultrasonik beroperasi pada frekuensi mulai dari $20 kHz hingga beberapa gigahertz.

Gambar 1. Rentang frekuensi

USG pada satwa liar

Kelelawar menggunakan gelombang ultrasonik frekuensi tinggi (panjang gelombang pendek) untuk meningkatkan kemampuannya berburu. Mangsa khas kelelawar adalah ngengat—benda yang tidak lebih besar dari kelelawar itu sendiri. Kelelawar menggunakan teknik ekolokasi ultrasonik untuk mendeteksi kerabatnya di udara.

Gambar 2. Kelelawar menggunakan ultrasound untuk bernavigasi dalam kegelapan.

Tapi mengapa USG? Jawaban atas pertanyaan ini terletak pada fisika difraksi. Karena panjang gelombang menjadi lebih pendek daripada hambatan yang dihadapinya, gelombang tidak lagi dapat menyebar di sekitarnya, sehingga gelombang tersebut dipantulkan. Kelelawar menggunakan gelombang ultrasonik dengan panjang gelombang lebih kecil dari ukuran mangsanya. Gelombang suara ini akan bertabrakan dengan mangsanya, dan bukannya terdifraksi di sekitar mangsanya, gelombang suara tersebut akan memantul ke arah mangsanya, sehingga tikus dapat berburu menggunakan ekolokasi.

Anjing dengan pendengaran normal dapat mendengar USG.

Paus bergigi, termasuk lumba-lumba, dapat mendengar USG dan menggunakan suara tersebut dalam sistem navigasinya (biosonar).

Metode untuk mendapatkan USG

Metode mekanis- sistem getaran (string, pelat elastis, pipa).
Metode termal- dari pelepasan listrik dalam cairan dan gas, melalui peningkatan suhu atau arus berdenyut yang konstan.
Metode optik- Laser dapat menghasilkan gelombang elastis dalam berbagai frekuensi ultrasonik.

Infrasonik

Definisi 1

Infrasonik- gelombang suara yang tidak dapat didengar oleh telinga manusia karena frekuensinya terlalu rendah.

Gambar 3. Ladang angin menghasilkan infrasonik

Infrasonik dicirikan oleh kemampuan untuk melakukan perjalanan jarak jauh dan kemampuan menghindari rintangan, dan juga memiliki panjang gelombang yang sangat panjang - lebih dari $17$ m.

Sumber alami infrasonik adalah: badai, gelombang, longsoran salju, gempa bumi, gunung berapi, air terjun, petir.

Paparan infrasonik

Frekuensi infrasonik diukur dari $0,1$ hingga $20$ Hz. Infrasonik, atau frekuensi suara di bawah $20$ Hz, tidak dirasakan oleh telinga.

Catatan 1

Penelitian tentang efek infrasonik terutama dilakukan pada hewan, sehingga tidak mungkin untuk memahami sepenuhnya efek infrasonik pada tubuh manusia. Banyak penelitian menunjukkan bahwa ketika terkena infrasonik tingkat tinggi, hal-hal berikut dapat terjadi: perasaan tertekan di telinga, ketidaknyamanan, kelelahan berlebihan, kantuk, dan bahkan apatis dan depresi. Penelitian pada hewan menunjukkan bahwa infrasonik dengan intensitas sangat tinggi dapat menyebabkan kerusakan parah pada struktur telinga. Namun, tidak ada penelitian yang dapat dipercaya yang menunjukkan bahwa sumber infrasonik berbahaya dalam kehidupan sehari-hari. Hanya paparan frekuensi sangat tinggi dari jenis suara ini yang dapat berbahaya bagi kesehatan Anda. Hasil penelitian sebelumnya di bidang ini beragam, dan sensitivitasnya bervariasi dari orang ke orang.

Hewan diketahui dapat merasakan gelombang infrasonik yang melintasi bumi akibat bencana alam dan dapat menggunakannya sebagai peringatan. Contoh terbaru dari fenomena ini adalah gempa bumi dan tsunami Samudera Hindia tahun 2004. Hewan-hewan mulai mengungsi bahkan sebelum tsunami terjadi di lepas pantai Asia. Tidak diketahui secara pasti apakah ini penyebab pastinya, namun beberapa orang percaya bahwa mungkin pengaruh gelombang elektromagnetik, bukan gelombang infrasonik, yang mendorong hewan-hewan ini melarikan diri.

Contoh 1

Kelelawar terbang tegak lurus ke dinding dengan kecepatan $6,0\ (m)/(s)$, memancarkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi $v=45\ kHz$. Dua frekuensi suara $v_1$ dan $v_2$ manakah yang didengar kelelawar? Kecepatan rambat bunyi di udara adalah $c=340\ (m)/(s)$.

Menurut prinsip Doppler, frekuensi bunyi yang dirasakan oleh pengamat ditentukan oleh rumus

Dengan syarat

(2) -- kecepatan kelelawar.

Kelelawar akan mendengar suara tersebut dan terpantul dari dinding. Untuk bunyi langsung dari rumus (1) yang kita miliki

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

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

1. Pemancar dan penerima ultrasonik.

2. Penyerapan USG pada suatu zat. Aliran akustik dan kavitasi.

3. Refleksi USG. Visi yang sehat.

4. Efek biofisik USG.

5. Penggunaan USG dalam pengobatan: terapi, pembedahan, diagnostik.

6. Infrasonik dan sumbernya.

7. Dampak infrasonik terhadap manusia. Penggunaan infrasonik dalam pengobatan.

8. Konsep dasar dan rumus. Tabel.

9. Tugas.

USG - getaran dan gelombang elastis dengan frekuensi sekitar 20x10 3 Hz (20 kHz) hingga 10 9 Hz (1 GHz). Rentang frekuensi ultrasonik dari 1 hingga 1000 GHz biasa disebut hipersuara. Frekuensi ultrasonik dibagi menjadi tiga rentang:

ULF - USG frekuensi rendah (20-100 kHz);

USCh - USG frekuensi menengah (0,1-10 MHz);

UHF - USG frekuensi tinggi (10-1000 MHz).

Setiap rentang memiliki karakteristik penggunaan medisnya masing-masing.

5.1. Pemancar dan penerima ultrasonik

Elektromekanis penghasil emisi Dan penerima USG menggunakan fenomena efek piezoelektrik, yang intinya diilustrasikan pada Gambar. 5.1.

Dielektrik kristal seperti kuarsa, garam Rochelle, dll. memiliki sifat piezoelektrik.

Pemancar ultrasonik

Elektromekanis Pemancar ultrasonik menggunakan fenomena efek piezoelektrik terbalik dan terdiri dari elemen-elemen berikut (Gbr. 5.2):

Beras. 5.1. A - efek piezoelektrik langsung: kompresi dan peregangan pelat piezoelektrik menyebabkan munculnya perbedaan potensial dari tanda yang sesuai;

B - efek piezoelektrik terbalik: tergantung pada tanda beda potensial yang diterapkan pada pelat piezoelektrik, pelat tersebut dikompresi atau diregangkan

Beras. 5.2. Pemancar ultrasonik

1 - pelat yang terbuat dari bahan dengan sifat piezoelektrik;

2 - elektroda diendapkan pada permukaannya dalam bentuk lapisan konduktif;

3 - generator yang menyuplai tegangan bolak-balik dengan frekuensi yang diperlukan ke elektroda.

Ketika tegangan bolak-balik diterapkan ke elektroda (2) dari generator (3), pelat (1) mengalami regangan dan kompresi secara berkala. Terjadi osilasi paksa yang frekuensinya sama dengan frekuensi perubahan tegangan. Getaran ini ditransmisikan ke partikel lingkungan, menciptakan gelombang mekanis dengan frekuensi yang sesuai. Amplitudo osilasi partikel medium di dekat emitor sama dengan amplitudo osilasi pelat.

Ciri-ciri USG antara lain kemungkinan memperoleh gelombang dengan intensitas tinggi meskipun dengan amplitudo getaran yang relatif kecil, karena pada amplitudo tertentu kepadatannya

Beras. 5.3. Memfokuskan sinar ultrasonik dalam air dengan lensa plexiglass cekung datar (frekuensi ultrasonik 8 MHz)

aliran energi proporsional frekuensi kuadrat(lihat rumus 2.6). Intensitas maksimum radiasi ultrasonik ditentukan oleh sifat bahan pemancar, serta karakteristik kondisi penggunaannya. Kisaran intensitas pembangkitan AS di wilayah USF sangat luas: dari 10 -14 W/cm 2 hingga 0,1 W/cm 2 .

Untuk banyak tujuan, diperlukan intensitas yang jauh lebih tinggi dibandingkan yang dapat diperoleh dari permukaan emitor. Dalam kasus ini, Anda dapat menggunakan pemfokusan. Gambar 5.3 menunjukkan pemfokusan USG menggunakan lensa kaca plexiglass. Untuk mendapatkan sangat besar intensitas USG menggunakan metode pemfokusan yang lebih kompleks. Jadi, pada fokus paraboloid, yang dinding bagian dalamnya terbuat dari mosaik pelat kuarsa atau piezokeramik barium titanit, pada frekuensi 0,5 MHz dimungkinkan untuk memperoleh intensitas ultrasonik hingga 10 5 W/cm 2 dalam air.

Penerima USG

Elektromekanis Penerima USG(Gbr. 5.4) menggunakan fenomena efek piezoelektrik langsung. Dalam hal ini, di bawah pengaruh gelombang ultrasonik, getaran pelat kristal (1) terjadi,

Beras. 5.4. Penerima USG

akibatnya timbul tegangan bolak-balik pada elektroda (2), yang dicatat oleh sistem pencatatan (3).

Di sebagian besar perangkat medis, generator gelombang ultrasonik juga digunakan sebagai penerima.

5.2. Penyerapan USG dalam suatu zat. Aliran akustik dan kavitasi

Dilihat dari sifat fisiknya, USG tidak berbeda dengan suara dan merupakan gelombang mekanik. Saat menyebar, area kondensasi dan penghalusan partikel medium bergantian terbentuk. Kecepatan rambat USG dan suara di media adalah sama (di udara ~ 340 m/s, di air dan jaringan lunak ~ 1500 m/s). Namun, gelombang ultrasonik dengan intensitas tinggi dan panjang pendek menimbulkan sejumlah ciri khusus.

Ketika ultrasound merambat dalam suatu zat, terjadi transisi energi gelombang suara yang ireversibel menjadi jenis energi lain, terutama menjadi panas. Fenomena ini disebut penyerapan suara. Penurunan amplitudo getaran partikel dan intensitas USG akibat penyerapan bersifat eksponensial:

dimana A, A 0 adalah amplitudo osilasi partikel medium pada permukaan zat dan pada kedalaman h; I, I 0 - intensitas gelombang ultrasonik yang sesuai; - koefisien penyerapan, tergantung pada frekuensi gelombang ultrasonik, suhu dan sifat medium.

Koefisien penyerapan - kebalikan dari jarak dimana amplitudo gelombang bunyi berkurang sebesar faktor “e”.

Semakin tinggi koefisien serapan, semakin kuat media menyerap USG.

Koefisien penyerapan (α) meningkat dengan meningkatnya frekuensi USG. Oleh karena itu, redaman USG dalam suatu media jauh lebih tinggi daripada redaman suara yang terdengar.

Bersama koefisien penyerapan, Penyerapan ultrasonik juga digunakan sebagai karakteristik kedalaman setengah penyerapan(H), yang berhubungan dengan hubungan terbalik (H = 0,347/α).

Kedalaman setengah penyerapan(H) adalah kedalaman di mana intensitas gelombang ultrasonik dibelah dua.

Nilai koefisien absorpsi dan kedalaman setengah absorpsi pada berbagai jaringan disajikan pada tabel. 5.1.

Dalam gas dan, khususnya, di udara, USG merambat dengan redaman tinggi. Cairan dan padatan (terutama kristal tunggal) biasanya merupakan konduktor ultrasonik yang baik, dan redaman di dalamnya jauh lebih sedikit. Misalnya, di dalam air, redaman USG, jika semua hal lain dianggap sama, kira-kira 1000 kali lebih kecil daripada di udara. Oleh karena itu, bidang penggunaan frekuensi ultrasonik dan frekuensi ultrasonik hampir secara eksklusif mengacu pada cairan dan padatan, dan hanya frekuensi ultrasonik yang digunakan di udara dan gas.

Pelepasan panas dan reaksi kimia

Penyerapan USG oleh suatu zat disertai dengan transisi energi mekanik menjadi energi internal zat tersebut, yang menyebabkan pemanasannya. Pemanasan paling intens terjadi di area yang berdekatan dengan antarmuka, ketika koefisien refleksi mendekati satu (100%). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sebagai akibat dari pemantulan, intensitas gelombang di dekat batas meningkat dan, dengan demikian, jumlah energi yang diserap meningkat. Hal ini dapat diverifikasi secara eksperimental. Anda perlu memasang pemancar ultrasonik ke tangan Anda yang basah. Segera, sensasi (mirip dengan rasa sakit akibat luka bakar) muncul di sisi berlawanan dari telapak tangan, yang disebabkan oleh USG yang dipantulkan dari antarmuka kulit-udara.

Jaringan dengan struktur kompleks (paru-paru) lebih sensitif terhadap pemanasan ultrasonik dibandingkan jaringan homogen (hati). Relatif banyak panas yang dihasilkan pada antarmuka antara jaringan lunak dan tulang.

Pemanasan lokal jaringan dengan sepersekian derajat meningkatkan aktivitas vital objek biologis dan meningkatkan intensitas proses metabolisme. Namun paparan yang terlalu lama dapat menyebabkan panas berlebih.

Dalam beberapa kasus, USG terfokus digunakan untuk mempengaruhi struktur individu tubuh secara lokal. Efek ini memungkinkan untuk mencapai hipertermia terkontrol, yaitu. pemanasan hingga 41-44 °C tanpa membuat jaringan di sekitarnya terlalu panas.

Peningkatan suhu dan penurunan tekanan besar yang menyertai lewatnya USG dapat menyebabkan pembentukan ion dan radikal yang dapat berinteraksi dengan molekul. Dalam hal ini, dapat terjadi reaksi kimia yang tidak mungkin terjadi pada kondisi normal. Efek kimiawi USG dimanifestasikan, khususnya, dalam pemecahan molekul air menjadi radikal H + dan OH -, diikuti dengan pembentukan hidrogen peroksida H 2 O 2.

Aliran akustik dan kavitasi

Gelombang ultrasonik dengan intensitas tinggi disertai dengan sejumlah efek tertentu. Dengan demikian, perambatan gelombang ultrasonik dalam gas dan cairan disertai dengan pergerakan medium, yang disebut aliran akustik (Gbr. 5.5, A). Pada frekuensi dalam rentang frekuensi ultrasonik dalam medan ultrasonik dengan intensitas beberapa W/cm2, dapat terjadi semburan cairan (Gbr. 5.5, B) dan menyemprotkannya hingga membentuk kabut yang sangat halus. Fitur perambatan ultrasonik ini digunakan dalam inhaler ultrasonik.

Di antara fenomena penting yang muncul ketika gelombang ultrasonik intens merambat dalam cairan adalah fenomena akustik kavitasi - pertumbuhan gelembung dari yang sudah ada di bidang ultrasonik

Beras. 5.5. a) aliran akustik yang terjadi ketika gelombang ultrasonik merambat pada frekuensi 5 MHz dalam benzena; b) pancuran cairan yang terbentuk ketika sinar ultrasonik jatuh dari dalam cairan ke permukaannya (frekuensi ultrasonik 1,5 MHz, intensitas 15 W/cm2)

inti submikroskopik gas atau uap dalam cairan hingga berukuran sepersekian mm, yang mulai berdenyut pada frekuensi ultrasonik dan runtuh dalam fase tekanan positif. Ketika gelembung gas pecah, tekanan lokal yang besar akan mencapai seribu atmosfer yang berbentuk bola terbentuk gelombang kejut. Efek mekanis yang begitu kuat pada partikel yang terkandung dalam cairan dapat menimbulkan berbagai efek, termasuk efek destruktif, bahkan tanpa pengaruh efek termal ultrasound. Efek mekanis sangat signifikan ketika terkena USG terfokus.

Konsekuensi lain dari runtuhnya gelembung kavitasi adalah pemanasan yang kuat dari isinya (hingga suhu sekitar 10.000 °C), disertai dengan ionisasi dan disosiasi molekul.

Fenomena kavitasi disertai dengan erosi pada permukaan kerja penghasil emisi, kerusakan sel, dll. Namun fenomena ini juga membawa sejumlah dampak menguntungkan. Misalnya, di daerah kavitasi, terjadi peningkatan pencampuran zat yang digunakan untuk membuat emulsi.

5.3. Refleksi USG. Visi yang sehat

Seperti semua jenis gelombang, USG dicirikan oleh fenomena pemantulan dan pembiasan. Namun, fenomena ini hanya terlihat jika ukuran ketidakhomogenan sebanding dengan panjang gelombang. Panjang gelombang ultrasonik jauh lebih kecil daripada panjang gelombang suara (λ = v/v). Jadi, panjang gelombang suara dan gelombang ultrasonik pada jaringan lunak pada frekuensi 1 kHz dan 1 MHz masing-masing sama: = 1500/1000 = 1,5 m;

1500/1.000.000 = 1,5x10 -3 m = 1,5 mm. Sesuai dengan hal di atas, benda berukuran 10 cm praktis tidak memantulkan bunyi dengan panjang gelombang λ = 1,5 m, tetapi merupakan reflektor gelombang ultrasonik dengan λ = 1,5 mm.

Efisiensi refleksi ditentukan tidak hanya oleh hubungan geometri, tetapi juga oleh koefisien refleksi r, yang bergantung pada rasio hambatan gelombang media x(lihat rumus 3.8, 3.9):

Untuk nilai x yang mendekati 0, refleksinya hampir selesai. Hal ini merupakan hambatan perpindahan USG dari udara ke jaringan lunak (x = 3x10 -4, R= 99,88%). Jika pemancar USG diaplikasikan langsung ke kulit seseorang, USG tidak akan menembus ke dalam, namun akan dipantulkan dari lapisan tipis udara antara pemancar dan kulit. Dalam hal ini, nilainya kecil X memainkan peran negatif. Untuk menghilangkan lapisan udara, permukaan kulit dilapisi dengan lapisan pelumas yang sesuai (water jelly), yang berfungsi sebagai media transisi yang mengurangi pantulan. Sebaliknya, untuk mendeteksi ketidakhomogenan dalam medium, nilai-nilai kecil X merupakan faktor positif.

Nilai koefisien refleksi pada batas berbagai jaringan diberikan dalam tabel. 5.2.

Intensitas sinyal pantulan yang diterima tidak hanya bergantung pada besarnya koefisien refleksi, tetapi juga pada derajat penyerapan USG oleh media di mana sinyal tersebut merambat. Penyerapan gelombang ultrasonik mengarah pada fakta bahwa sinyal gema yang dipantulkan dari struktur yang terletak di kedalaman jauh lebih lemah daripada sinyal gema yang terbentuk ketika dipantulkan dari struktur serupa yang terletak di dekat permukaan.

Berdasarkan pantulan gelombang ultrasonik dari ketidakhomogenan penglihatan suara, digunakan dalam pemeriksaan USG medis (USG). Dalam hal ini, USG yang dipantulkan dari ketidakhomogenan (organ individu, tumor) diubah menjadi getaran listrik, dan yang terakhir menjadi cahaya, yang memungkinkan Anda melihat objek tertentu di layar dalam lingkungan yang tidak tembus cahaya. Gambar 5.6 menunjukkan sebuah gambar

Beras. 5.6. Gambar janin manusia berusia 17 minggu diperoleh dengan menggunakan USG 5 MHz

janin manusia usia 17 minggu, diperoleh dengan menggunakan USG.

Mikroskop ultrasonik telah dibuat pada frekuensi dalam rentang ultrasonik - perangkat yang mirip dengan mikroskop konvensional, kelebihannya dibandingkan mikroskop optik adalah untuk penelitian biologi, pewarnaan awal pada objek tidak diperlukan. Gambar 5.7 menunjukkan foto sel darah merah yang diperoleh dengan mikroskop optik dan ultrasonografi.

Beras. 5.7. Foto sel darah merah diperoleh dengan mikroskop optik (a) dan ultrasonografi (b).

Ketika frekuensi gelombang ultrasonik meningkat, resolusinya meningkat (ketidakhomogenan yang lebih kecil dapat dideteksi), tetapi kemampuan penetrasinya menurun, mis. kedalaman di mana struktur yang diinginkan dapat diperiksa berkurang. Oleh karena itu, frekuensi USG dipilih untuk menggabungkan resolusi yang cukup dengan kedalaman penyelidikan yang diperlukan. Jadi, untuk pemeriksaan USG kelenjar tiroid yang terletak tepat di bawah kulit digunakan gelombang dengan frekuensi 7,5 MHz, dan untuk pemeriksaan organ perut digunakan frekuensi 3,5-5,5 MHz. Selain itu, ketebalan lapisan lemak juga diperhitungkan: untuk anak kurus digunakan frekuensi 5,5 MHz, dan untuk anak dan orang dewasa yang kelebihan berat badan digunakan frekuensi 3,5 MHz.

5.4. Efek biofisik USG

Ketika USG bekerja pada objek biologis di organ dan jaringan yang disinari pada jarak yang sama dengan setengah panjang gelombang, perbedaan tekanan dari satuan hingga puluhan atmosfer dapat terjadi. Dampak intens seperti itu menyebabkan berbagai efek biologis, yang sifat fisiknya ditentukan oleh aksi gabungan dari fenomena mekanis, termal, dan fisikokimia yang menyertai perambatan gelombang ultrasonik di lingkungan.

Efek umum USG pada jaringan dan tubuh secara keseluruhan

Efek biologis dari USG, mis. perubahan yang disebabkan oleh aktivitas kehidupan dan struktur objek biologis ketika terkena ultrasound ditentukan terutama oleh intensitas dan durasi penyinaran dan dapat berdampak positif dan negatif pada aktivitas kehidupan organisme. Dengan demikian, getaran mekanis partikel yang terjadi pada intensitas ultrasonik yang relatif rendah (hingga 1,5 W/cm 2) menghasilkan semacam pijat mikro pada jaringan, meningkatkan metabolisme yang lebih baik dan suplai darah dan getah bening yang lebih baik ke jaringan. Pemanasan lokal jaringan dalam pecahan dan satuan derajat, sebagai suatu peraturan, meningkatkan aktivitas vital objek biologis, meningkatkan intensitas proses metabolisme. Gelombang ultrasonik kecil Dan rata-rata intensitasnya menimbulkan efek biologis positif pada jaringan hidup, merangsang terjadinya proses fisiologis normal.

Keberhasilan penggunaan USG pada intensitas ini digunakan dalam neurologi untuk rehabilitasi penyakit seperti linu panggul kronis, poliartritis, neuritis, dan neuralgia. Ultrasonografi digunakan dalam pengobatan penyakit tulang belakang dan persendian (penghancuran timbunan garam pada persendian dan gigi berlubang); dalam pengobatan berbagai komplikasi setelah kerusakan sendi, ligamen, tendon, dll.

Ultrasonografi intensitas tinggi (3-10 W/cm2) memiliki efek berbahaya pada organ individu dan tubuh manusia secara keseluruhan. Intensitas USG yang tinggi dapat menyebabkan

dalam lingkungan biologis kavitasi akustik, disertai dengan kerusakan mekanis sel dan jaringan. Paparan ultrasonografi yang intens dalam jangka panjang dapat menyebabkan panas berlebih pada struktur biologis dan kehancurannya (denaturasi protein, dll.). Paparan USG yang intens juga dapat menimbulkan konsekuensi jangka panjang. Misalnya, dengan paparan USG dalam waktu lama dengan frekuensi 20-30 kHz, yang terjadi di beberapa kondisi industri, seseorang mengalami gangguan sistem saraf, kelelahan meningkat, suhu meningkat secara signifikan, dan terjadi gangguan pendengaran.

Ultrasonografi yang sangat intens berakibat fatal bagi manusia. Misalnya, di Spanyol, 80 sukarelawan terkena mesin turbulen ultrasonik. Hasil eksperimen biadab ini sungguh membawa malapetaka: 28 orang tewas, sisanya lumpuh total atau sebagian.

Efek termal yang dihasilkan oleh USG intensitas tinggi bisa sangat signifikan: dengan iradiasi USG dengan daya 4 W/cm2 selama 20 detik, suhu jaringan tubuh pada kedalaman 2-5 cm meningkat sebesar 5-6 °C.

Untuk mencegah penyakit akibat kerja pada orang yang bekerja di instalasi ultrasonik, bila memungkinkan terjadi kontak dengan sumber getaran ultrasonik, maka perlu menggunakan 2 pasang sarung tangan untuk melindungi tangan: karet bagian luar dan kapas bagian dalam.

Pengaruh USG pada tingkat sel

Efek biologis USG mungkin juga didasarkan pada efek fisikokimia sekunder. Jadi, selama pembentukan aliran akustik, pencampuran struktur intraseluler dapat terjadi. Kavitasi menyebabkan putusnya ikatan molekul pada biopolimer dan senyawa penting lainnya serta berkembangnya reaksi redoks. Ultrasonografi meningkatkan permeabilitas membran biologis, akibatnya proses metabolisme dipercepat karena difusi. Perubahan aliran berbagai zat melalui membran sitoplasma menyebabkan perubahan komposisi lingkungan intraseluler dan lingkungan mikro sel. Hal ini mempengaruhi laju reaksi biokimia yang melibatkan enzim yang sensitif terhadap kandungan tertentu atau

ion lainnya. Dalam beberapa kasus, perubahan komposisi lingkungan di dalam sel dapat menyebabkan percepatan reaksi enzimatik, yang diamati ketika sel terkena USG intensitas rendah.

Banyak enzim intraseluler diaktifkan oleh ion kalium. Oleh karena itu, dengan meningkatnya intensitas USG, efek menekan reaksi enzimatik dalam sel menjadi lebih mungkin, karena akibat depolarisasi membran sel, konsentrasi ion kalium di lingkungan intraseluler menurun.

Dampak USG pada sel dapat disertai dengan fenomena berikut:

Pelanggaran lingkungan mikro membran sel berupa perubahan gradien konsentrasi berbagai zat di dekat membran, perubahan kekentalan lingkungan di dalam dan di luar sel;

Perubahan permeabilitas membran sel berupa percepatan difusi normal dan terfasilitasi, perubahan efisiensi transpor aktif, terganggunya struktur membran;

Pelanggaran komposisi lingkungan intraseluler berupa perubahan konsentrasi berbagai zat dalam sel, perubahan viskositas;

Perubahan laju reaksi enzimatik dalam sel karena perubahan konsentrasi optimal zat yang diperlukan untuk berfungsinya enzim.

Perubahan permeabilitas membran sel merupakan respons universal terhadap paparan ultrasonografi, terlepas dari faktor ultrasonografi mana yang bekerja pada sel yang mendominasi dalam kasus tertentu.

Pada intensitas USG yang cukup tinggi, terjadi kerusakan membran. Namun, sel yang berbeda memiliki ketahanan yang berbeda: beberapa sel dihancurkan pada intensitas 0,1 W/cm 2, yang lain pada 25 W/cm 2.

Dalam rentang intensitas tertentu, efek biologis yang diamati dari USG bersifat reversibel. Batas atas interval ini sebesar 0,1 W/cm 2 pada frekuensi 0,8-2 MHz diterima sebagai ambang batas. Melebihi batas ini menyebabkan perubahan destruktif yang nyata pada sel.

Penghancuran mikroorganisme

Iradiasi USG dengan intensitas melebihi ambang batas kavitasi digunakan untuk menghancurkan bakteri dan virus yang ada dalam cairan.

5.5. Penggunaan USG dalam pengobatan: terapi, pembedahan, diagnostik

Deformasi di bawah pengaruh ultrasound digunakan saat menggiling atau mendispersikan media.

Fenomena kavitasi digunakan untuk memperoleh emulsi cairan yang tidak dapat bercampur dan untuk membersihkan logam dari kerak dan lapisan lemak.

Terapi USG

Efek terapeutik USG ditentukan oleh faktor mekanik, termal, dan kimia. Tindakan gabungan mereka meningkatkan permeabilitas membran, melebarkan pembuluh darah, meningkatkan metabolisme, yang membantu memulihkan keseimbangan tubuh. Sinar ultrasonografi tertutup dapat digunakan untuk melakukan pijatan lembut pada jantung, paru-paru, dan organ serta jaringan lainnya.

Dalam THT, USG mempengaruhi gendang telinga dan mukosa hidung. Dengan cara ini, rehabilitasi rinitis kronis dan penyakit pada rongga rahang atas dilakukan.

FONOPORESIS - pengenalan zat obat ke dalam jaringan melalui pori-pori kulit menggunakan USG. Metode ini mirip dengan elektroforesis, namun tidak seperti medan listrik, medan ultrasonik tidak hanya menggerakkan ion, tetapi juga ion tidak bermuatan partikel. Di bawah pengaruh USG, permeabilitas membran sel meningkat, yang memfasilitasi penetrasi obat ke dalam sel, sedangkan dengan elektroforesis, obat terkonsentrasi terutama di antara sel.

OTOHEMOTERAPI - suntikan intramuskular darah seseorang yang diambil dari vena. Prosedur ini ternyata lebih efektif jika darah yang diambil disinari dengan USG sebelum infus.

Iradiasi ultrasonik meningkatkan sensitivitas sel terhadap efek bahan kimia. Hal ini memungkinkan Anda untuk menciptakan lebih sedikit bahaya

vaksin, karena dalam pembuatannya reagen kimia dengan konsentrasi lebih rendah dapat digunakan.

Paparan awal terhadap USG meningkatkan efek iradiasi γ- dan gelombang mikro pada tumor.

Dalam industri farmasi, USG digunakan untuk menghasilkan emulsi dan aerosol bahan obat tertentu.

Dalam fisioterapi, USG digunakan untuk dampak lokal, dilakukan dengan menggunakan emitor yang sesuai, dioleskan secara kontak melalui dasar salep ke area tubuh tertentu.

Operasi USG

Bedah USG dibagi menjadi dua jenis, yang satu berhubungan dengan pengaruh getaran suara pada jaringan, yang kedua dengan penerapan getaran ultrasonik pada instrumen bedah.

Penghancuran tumor. Beberapa pemancar yang dipasang di tubuh pasien memancarkan sinar ultrasonografi yang fokus pada tumor. Intensitas setiap pancaran sinar tidak cukup untuk merusak jaringan sehat, namun pada tempat berkumpulnya sinar, intensitasnya meningkat dan tumor dihancurkan oleh kavitasi dan panas.

Dalam urologi, dengan menggunakan tindakan mekanis USG, mereka menghancurkan batu di saluran kemih dan dengan demikian menyelamatkan pasien dari operasi.

Pengelasan jaringan lunak. Jika Anda melipat dua pembuluh darah yang terpotong dan menekannya bersamaan, lasan akan terbentuk setelah penyinaran.

Tulang las(osteosintesis ultrasonik). Area fraktur diisi dengan jaringan tulang hancur yang dicampur dengan polimer cair (cyacrine), yang dengan cepat berpolimerisasi di bawah pengaruh ultrasound. Setelah penyinaran, terbentuk las yang kuat, yang secara bertahap larut dan digantikan oleh jaringan tulang.

Penerapan getaran ultrasonik pada instrumen bedah(pisau bedah, kikir, jarum) secara signifikan mengurangi kekuatan pemotongan, mengurangi rasa sakit, dan memiliki efek hemostatik dan sterilisasi. Amplitudo getaran alat pemotong pada frekuensi 20-50 kHz adalah 10-50 mikron. Pisau bedah ultrasonik memungkinkan untuk melakukan operasi pada organ pernapasan tanpa membuka dada,

operasi di kerongkongan dan pembuluh darah. Dengan memasukkan pisau bedah ultrasonik yang panjang dan tipis ke dalam pembuluh darah, penebalan kolesterol di pembuluh darah dapat dihancurkan.

Sterilisasi. Efek destruktif USG pada mikroorganisme digunakan untuk mensterilkan instrumen bedah.

Dalam beberapa kasus, USG digunakan bersamaan dengan pengaruh fisik lainnya, misalnya kriogenik, untuk perawatan bedah hemangioma dan bekas luka.

Diagnostik USG

Diagnostik USG adalah seperangkat metode untuk mempelajari tubuh manusia yang sehat dan sakit, berdasarkan penggunaan USG. Dasar fisik diagnostik ultrasonografi adalah ketergantungan parameter perambatan suara dalam jaringan biologis (kecepatan suara, koefisien atenuasi, impedansi gelombang) pada jenis jaringan dan kondisinya. Metode USG memungkinkan untuk memvisualisasikan struktur internal tubuh, serta mempelajari pergerakan benda biologis di dalam tubuh. Fitur utama diagnostik ultrasonografi adalah kemampuan untuk memperoleh informasi tentang jaringan lunak yang kepadatan atau elastisitasnya sedikit berbeda. Metode pemeriksaan USG sangat sensitif, dapat digunakan untuk mendeteksi formasi yang tidak terdeteksi oleh sinar-X, tidak memerlukan penggunaan zat kontras, tidak menimbulkan rasa sakit dan tidak memiliki kontraindikasi.

Untuk tujuan diagnostik, frekuensi ultrasonik dari 0,8 hingga 15 MHz digunakan. Frekuensi rendah digunakan saat mempelajari objek yang terletak dalam atau saat mempelajari melalui jaringan tulang, frekuensi tinggi - untuk memvisualisasikan objek yang terletak dekat dengan permukaan tubuh, untuk diagnostik dalam oftalmologi, saat mempelajari pembuluh darah yang terletak di permukaan.

Yang paling banyak digunakan dalam diagnostik USG adalah metode ekolokasi berdasarkan refleksi atau hamburan sinyal USG berdenyut. Tergantung pada metode memperoleh dan sifat penyajian informasi, perangkat untuk diagnostik ultrasonografi dibagi menjadi 3 kelompok: perangkat satu dimensi dengan indikasi tipe A; instrumen satu dimensi dengan indikasi tipe M; perangkat dua dimensi dengan indikasi tipe B.

Selama diagnostik USG menggunakan perangkat tipe A, radiator yang memancarkan pulsa USG pendek (berlangsung sekitar 10 -6 detik) diterapkan ke area tubuh yang diperiksa melalui bahan kontak. Dalam jeda antar pulsa, perangkat menerima pulsa yang dipantulkan dari berbagai ketidakhomogenan di jaringan. Setelah amplifikasi, pulsa-pulsa tersebut diamati pada layar tabung sinar katoda berupa deviasi berkas dari garis horizontal. Pola lengkap pulsa pantulan disebut echogram satu dimensi tipe A. Gambar 5.8 menunjukkan ekogram yang diperoleh selama ekoskopi mata.

Beras. 5.8. Ekoskopi mata menggunakan metode A:

1 - gema dari permukaan anterior kornea; 2, 3 - gema dari permukaan anterior dan posterior lensa; 4 - gema dari retina dan struktur kutub posterior bola mata

Ekogram jaringan dari berbagai jenis berbeda satu sama lain dalam jumlah pulsa dan amplitudonya. Analisis ekogram tipe A dalam banyak kasus memungkinkan seseorang memperoleh informasi tambahan tentang kondisi, kedalaman dan luas area patologis.

Perangkat satu dimensi dengan indikasi tipe A digunakan dalam neurologi, bedah saraf, onkologi, kebidanan, oftalmologi, dan bidang kedokteran lainnya.

Pada perangkat dengan indikasi tipe M, pulsa yang dipantulkan, setelah amplifikasi, diumpankan ke elektroda modulasi tabung sinar katoda dan disajikan dalam bentuk garis, yang kecerahannya terkait dengan amplitudo pulsa, dan lebarnya adalah berhubungan dengan durasinya. Perkembangan garis-garis ini dalam waktu memberikan gambaran struktur refleksi individu. Jenis indikasi ini banyak digunakan dalam kardiografi. Kardiogram ultrasonografi dapat direkam menggunakan tabung sinar katoda dengan memori atau pada alat perekam kertas. Metode ini mencatat pergerakan elemen jantung, yang memungkinkan untuk menentukan stenosis katup mitral, kelainan jantung bawaan, dll.

Saat menggunakan metode perekaman tipe A dan M, transduser berada pada posisi tetap pada tubuh pasien.

Dalam kasus indikasi tipe B, transduser bergerak (memindai) sepanjang permukaan tubuh, dan echogram dua dimensi direkam pada layar tabung sinar katoda, mereproduksi penampang area yang diperiksa dari tubuh. tubuh.

Variasi dari metode B adalah multipemindaian, di mana gerakan mekanis sensor digantikan oleh peralihan listrik berurutan dari sejumlah elemen yang terletak pada saluran yang sama. Multiscanning memungkinkan Anda mengamati bagian yang sedang dipelajari hampir secara real time. Variasi lain dari metode B adalah pemindaian sektor, di mana tidak ada pergerakan probe gema, namun sudut penyisipan sinar ultrasonik berubah.

Perangkat USG dengan indikasi tipe B digunakan dalam onkologi, kebidanan dan ginekologi, urologi, THT, oftalmologi, dll. Modifikasi perangkat tipe B dengan multiscanning dan pemindaian sektor digunakan dalam kardiologi.

Semua metode ekolokasi diagnostik ultrasonografi memungkinkan, dengan satu atau lain cara, untuk mencatat batas-batas area dengan impedansi gelombang berbeda di dalam tubuh.

Metode baru diagnostik ultrasonografi - tomografi rekonstruktif (atau komputasi) - memberikan distribusi spasial parameter perambatan suara: koefisien atenuasi (modifikasi metode atenuasi) atau kecepatan suara (modifikasi bias). Pada metode ini, bagian objek yang diteliti dibunyikan secara berulang-ulang dengan arah yang berbeda-beda. Informasi tentang koordinat suara dan sinyal respons diproses di komputer, sebagai akibatnya tomogram yang direkonstruksi ditampilkan di layar.

Belakangan ini, metode tersebut mulai diperkenalkan elastometri untuk mempelajari jaringan hati baik normal maupun pada berbagai tahap mikrosis. Inti dari metode ini adalah ini. Sensor dipasang tegak lurus dengan permukaan bodi. Menggunakan vibrator yang terpasang pada sensor, gelombang mekanis suara frekuensi rendah dibuat (ν = 50 Hz, A = 1 mm), kecepatan rambatnya melalui jaringan hati di bawahnya dinilai menggunakan ultrasound dengan frekuensi = 3,5 MHz (intinya, ekolokasi dilakukan). Menggunakan

modulus E (elastisitas) kain. Serangkaian pengukuran (setidaknya 10) dilakukan untuk pasien di ruang interkostal dalam proyeksi posisi hati. Semua data dianalisis secara otomatis; perangkat memberikan penilaian kuantitatif elastisitas (kepadatan), yang disajikan baik secara numerik maupun warna.

Untuk memperoleh informasi tentang struktur tubuh yang bergerak, digunakan metode dan instrumen yang pengoperasiannya didasarkan pada efek Doppler. Perangkat tersebut biasanya berisi dua elemen piezo: pemancar ultrasonik yang beroperasi dalam mode kontinu dan penerima sinyal yang dipantulkan. Dengan mengukur pergeseran frekuensi Doppler gelombang ultrasonik yang dipantulkan dari suatu benda bergerak (misalnya, dari dinding bejana), kecepatan pergerakan benda yang dipantulkan tersebut ditentukan (lihat rumus 2.9). Perangkat tercanggih dari jenis ini menggunakan metode lokasi pulse-Doppler (koheren), yang memungkinkan untuk mengisolasi sinyal dari titik tertentu di ruang angkasa.

Perangkat yang menggunakan efek Doppler digunakan untuk mendiagnosis penyakit pada sistem kardiovaskular (penentuan

pergerakan bagian jantung dan dinding pembuluh darah), dalam bidang kebidanan (studi tentang detak jantung janin), untuk mempelajari aliran darah, dll.

Organ-organ diperiksa melalui kerongkongan, yang berbatasan dengannya.

Perbandingan “candling” ultrasonik dan x-ray

Dalam beberapa kasus, pemindaian ultrasonik memiliki keunggulan dibandingkan x-ray. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sinar-X memberikan gambaran yang jelas tentang jaringan “keras” dengan latar belakang jaringan “lunak”. Misalnya, tulang terlihat jelas dengan latar belakang jaringan lunak. Untuk memperoleh gambaran rontgen jaringan lunak dengan latar belakang jaringan lunak lainnya (misalnya pembuluh darah dengan latar belakang otot), pembuluh tersebut harus diisi dengan zat yang menyerap radiasi sinar-X dengan baik (zat kontras) . Transiluminasi ultrasonik, berkat fitur yang telah disebutkan, dalam hal ini memberikan gambar tanpa menggunakan zat kontras.

Pemeriksaan sinar-X membedakan perbedaan kepadatan hingga 10%, dan USG – hingga 1%.

5.6. Infrasonik dan sumbernya

Infrasonik- getaran elastis dan gelombang dengan frekuensi berada di bawah rentang frekuensi yang dapat didengar manusia. Biasanya, 16-20 Hz diambil sebagai batas atas rentang infrasonik. Definisi ini bersyarat, karena dengan intensitas yang cukup, persepsi pendengaran juga terjadi pada frekuensi beberapa Hz, meskipun dalam kasus ini sifat nada sensasi menghilang dan hanya siklus osilasi individu yang dapat dibedakan. Batas frekuensi bawah infrasonik tidak pasti; wilayah studinya saat ini meluas hingga sekitar 0,001 Hz.

Gelombang infrasonik merambat di udara dan air, serta di kerak bumi (gelombang seismik). Ciri utama suara infrasonik, karena frekuensinya yang rendah, adalah daya serapnya yang rendah. Ketika merambat di laut dalam dan atmosfer di permukaan tanah, gelombang infrasonik dengan frekuensi 10-20 Hz melemah pada jarak 1000 km tidak lebih dari beberapa desibel. Diketahui bahwa terdengar

Letusan gunung berapi dan ledakan atom dapat mengelilingi bumi berkali-kali. Karena panjang gelombangnya yang panjang, hamburan infrasonik juga rendah. Di lingkungan alami, hamburan yang nyata hanya disebabkan oleh benda-benda yang sangat besar - bukit, gunung, gedung-gedung tinggi.

Sumber alami infrasonik adalah fenomena meteorologi, seismik, dan vulkanik. Infrasonik dihasilkan oleh fluktuasi tekanan turbulen atmosfer dan samudera, angin, gelombang laut (termasuk gelombang pasang), air terjun, gempa bumi, dan tanah longsor.

Sumber infrasonik yang terkait dengan aktivitas manusia adalah ledakan, tembakan senjata, gelombang kejut dari pesawat supersonik, dampak tiang pancang, pengoperasian mesin jet, dll. Infrasonik terkandung dalam kebisingan mesin dan peralatan teknologi. Getaran bangunan yang disebabkan oleh patogen industri dan domestik, biasanya mengandung komponen infrasonik. Kebisingan transportasi memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pencemaran lingkungan infrasonik. Misalnya mobil penumpang dengan kecepatan 100 km/jam menghasilkan infrasonik dengan tingkat intensitas hingga 100 dB. Di ruang mesin kapal besar, getaran infrasonik yang dihasilkan oleh mesin yang beroperasi telah terekam dengan frekuensi 7-13 Hz dan tingkat intensitas 115 dB. Di lantai atas gedung bertingkat, terutama saat angin kencang, tingkat intensitas infrasoniknya mencapai

Infrasonik hampir tidak mungkin diisolasi - pada frekuensi rendah, semua bahan penyerap suara hampir kehilangan efektivitasnya.

5.7. Dampak infrasonik pada manusia. Penggunaan infrasonik dalam pengobatan

Infrasonik, pada umumnya, berdampak negatif pada seseorang: menyebabkan suasana hati tertekan, kelelahan, sakit kepala, dan iritasi. Seseorang yang terkena infrasonik intensitas rendah mengalami gejala mabuk laut, mual, dan pusing. Sakit kepala muncul, rasa lelah bertambah, dan pendengaran melemah. Pada frekuensi 2-5 Hz

dan tingkat intensitas 100-125 dB, reaksi subjektif berkurang menjadi perasaan tertekan di telinga, kesulitan menelan, modulasi suara yang dipaksakan, dan kesulitan berbicara. Paparan infrasonik berdampak negatif pada penglihatan: fungsi penglihatan memburuk, ketajaman penglihatan menurun, bidang penglihatan menyempit, kemampuan akomodatif melemah, dan stabilitas fiksasi mata terhadap objek yang diamati terganggu.

Kebisingan pada frekuensi 2-15 Hz pada tingkat intensitas 100 dB menyebabkan peningkatan kesalahan pelacakan dial indikator. Kedutan kejang pada bola mata dan disfungsi organ keseimbangan muncul.

Pilot dan kosmonot yang terpapar infrasonik selama pelatihan lebih lambat dalam menyelesaikan masalah aritmatika sederhana sekalipun.

Ada anggapan bahwa berbagai anomali kondisi masyarakat dalam cuaca buruk yang disebabkan oleh kondisi iklim sebenarnya merupakan akibat dari pengaruh gelombang infrasonik.

Pada intensitas sedang (140-155 dB), pingsan dan kehilangan penglihatan sementara dapat terjadi. Pada intensitas tinggi (sekitar 180 dB), kelumpuhan bisa berakibat fatal.

Dampak negatif infrasonik diyakini disebabkan oleh fakta bahwa frekuensi getaran alami beberapa organ dan bagian tubuh manusia terletak pada wilayah infrasonik. Hal ini menyebabkan fenomena resonansi yang tidak diinginkan. Mari kita tunjukkan beberapa frekuensi osilasi alami bagi manusia:

Tubuh manusia dalam posisi berbaring - (3-4) Hz;

Dada - (5-8) Hz;

Perut - (3-4) Hz;

Mata - (12-27) Hz.

Efek infrasonik pada jantung sangat berbahaya. Dengan kekuatan yang cukup, terjadi osilasi paksa pada otot jantung. Pada resonansi (6-7 Hz), amplitudonya meningkat, yang dapat menyebabkan perdarahan.

Penggunaan infrasonik dalam pengobatan

Dalam beberapa tahun terakhir, infrasonik telah banyak digunakan dalam praktik medis. Jadi, dalam oftalmologi, gelombang infrasonik

dengan frekuensi hingga 12 Hz digunakan dalam pengobatan miopia. Dalam pengobatan penyakit kelopak mata, infrasonik digunakan untuk fonoforesis (Gbr. 5.9), serta untuk membersihkan permukaan luka, meningkatkan hemodinamik dan regenerasi kelopak mata, pijat (Gbr. 5.10), dll.

Gambar 5.9 menunjukkan penggunaan infrasonik untuk mengobati kelainan saluran lakrimal pada bayi baru lahir.

Pada satu tahap pengobatan, pemijatan kantung lakrimal dilakukan. Dalam hal ini, generator infrasonik menciptakan tekanan berlebih di kantung lakrimal, yang berkontribusi terhadap pecahnya jaringan embrio di saluran lakrimal.

Beras. 5.9. Skema fonoforesis infrasonik

Beras. 5.10. Pijat kantung lakrimal

5.8. Konsep dan rumus dasar. Tabel

Tabel 5.1. Koefisien serapan dan kedalaman setengah serapan pada frekuensi 1 MHz

Tabel 5.2. Koefisien refleksi pada batas jaringan yang berbeda

5.9. Tugas

1. Refleksi gelombang dari ketidakhomogenan kecil menjadi terlihat ketika ukurannya melebihi panjang gelombang. Perkirakan ukuran minimum d batu ginjal yang dapat dideteksi dengan diagnostik USG pada frekuensi = 5 MHz. Kecepatan gelombang ultrasonik ay= 1500 m/s.

Larutan

Mari kita cari panjang gelombangnya: λ = v/ν = 1500/(5*10 6) = 0,0003 m = 0,3 mm. d > λ.

Menjawab: d > 0,3 mm.

2. Beberapa prosedur fisioterapi menggunakan USG dengan frekuensi ν = 800 kHz dan intensitas I = 1 W/cm 2 . Temukan amplitudo getaran molekul jaringan lunak.

Larutan

Intensitas gelombang mekanik ditentukan oleh rumus (2.6)

Kepadatan jaringan lunak adalah ρ « 1000 kg/m 3 .

frekuensi melingkar ω = 2πν ≈ 2x3.14x800x10 3 ≈ 5x10 6 s -1 ;

kecepatan USG di jaringan lunak ν ≈ 1500 m/s.

Intensitas perlu diubah ke SI: I = 1 W/cm 2 = 10 4 W/m 2 .

Mengganti nilai numerik ke dalam rumus terakhir, kami menemukan:

Perpindahan molekul yang begitu kecil selama lewatnya USG menunjukkan bahwa efeknya dimanifestasikan pada tingkat sel. Menjawab: A = 0,023 mikron.

3. Bagian baja diperiksa kualitasnya menggunakan detektor cacat ultrasonik. Pada kedalaman h pada bagian tersebut retakan terdeteksi dan berapa ketebalan d bagian tersebut jika, setelah memancarkan sinyal ultrasonik, dua sinyal pantulan diterima pada 0,1 ms dan 0,2 ms? Kecepatan rambat gelombang ultrasonik pada baja adalah ay= 5200 m/s.

Larutan

2 jam = televisi → jam = televisi/2. Menjawab: tinggi = 26 cm; d = 52 cm.