если человек слышит ультразвук что это значит
Ультразвуковые волны повсюду. Можно ли их слышать?
Эти ужасные звуки вокруг нас, но только небольшая группа людей может их услышать. Они почти всегда приходят с машин — иногда умышленно, а иногда и случайно. Они достаточно громкие, чтобы раздражать и вызывать головные боли у людей, чувствительных к ним, хотя кажется, что они обычно недостаточно громкие, чтобы вызвать постоянные проблемы со здоровьем. И ученые не имеют четкого представления, насколько распространены эти звуки или насколько они вредны.
Это результат более чем десятилетия исследований Тимоти Лейтона, профессора акустики в Университете Саутгемптона в Англии, в классе звуков под названием «ультразвук». Он рассказал о своей работе на 175-м заседании Акустического общества Америки (ASA) 9 мая.
Ультразвук не очень четко определен, сказал Лейтон в интервью. Теоретически, по его словам, это звуки слишком высоки для людей, чтобы их слышать. Но на практике это звуки, которые находятся на грани слуха для младенцев, молодых людей, некоторых взрослых женщин и других групп с особенно острым слухом. И для них ультразвук представляет собой растущую проблему, которая недостаточно изучена или хорошо понята, сказал Лейтон.
«Многие люди приходили ко мне, и они говорили: «Я чувствую себя плохо в некоторых зданиях», — сказал Лейтон. «Никто не может это слышать, я был у своего врача, проверял слух, и все говорят, что это у меня в голове».
Часть проблемы, по словам Лейтона, заключается в том, что очень немногие исследователи изучают эту проблему.
«Я думаю, вам повезет найти даже шесть человек во всем мире, работающих над этим, — сказал Лейтон. «И это, я думаю, причины, почему многие страдальцы оказались у моей двери».
Это не означает, что работа Лейтона не входит в научный мейнстрим; он был одним из двух сопредседателей приглашенной сессии по высокочастотному звуку на собрании ASA и получил медаль Клиффорда Патерсона Королевского общества за отдельные исследования подводной акустики. Но большинство акустических исследователей просто не изучают высокочастотный звук в человеческих пространствах; большинство экспертов по акустике заявили, что у них нет знаний для комментариев.
Звуки, которые он не слышал
Лейтон начал свою раннюю работу над ультразвуковыми волнами, отправившись в здания, где люди сообщали о наличии симптомов. Пока он не слышал звуков, он записывал их, используя свои микрофоны, и постоянно находил ультразвуковые частоты.
«Это места, где может быть 3 миллиона или 4 миллиона человек в год», — сказал он. «Поэтому мне стало ясно, что ультразвук есть в общественных местах, где пострадают меньшинство, но в количественном выражении это большое количество людей».
И эффекты ультразвука не тривиальны.
«Если вы находитесь в зоне ультразвука, и вы один из чувствительных людей, у вас появятся головные боли, тошнота, шум в ушах (звон) и различные другие симптомы», — сказал Лейтон. «И как только экспозиция прекратится, вы выздоравливаете. Примерно через час вы поправляетесь».
Ответ на ультразвуковое воздействие может показаться суеверием, и исследователи не понимают, почему это происходит. Но это подкреплено десятилетиями последовательных экспериментов рядом различных исследователей.
Лейтон — один из немногих экспертов по этому вопросу, и он не знает, сколько людей подвержено воздействию ультразвука или насколько серьезны последствия.
Самое известное, предположительно, событие произошло, когда американские дипломаты на Кубе страдали странным созвездием симптомов, которые чиновники первоначально приписывали какому-то ультразвуку. Самые тяжелые симптомы воздействия ультразвуковой волны включают головные боли, шум в ушах и потерю слуха, аналогичные тем, с которыми сталкиваются американские дипломаты на Кубе. (Лейтон, как и большинство ученых, скептически относится к тому, что там было фактически задействовано ультразвуковое оружие).
В действительности, Лейтон сказал, причина, почему ультразвук является проблемой, заключается не в том, что в причудливых крайних случаях он может подвергать крошечную часть населения постоянному повреждению слуха. Чаще ультразвук, вероятно, подвергает большую, молодую, уязвимую часть населения дискомфорту, раздражению слуха.
Но почему не все слышат эти звуки?
Еще в конце 1960-х и в начале 70-х годов исследователи впервые систематически изучали, какие звуки могут создавать проблемы на рабочем месте, но были достаточно высокими, чтобы они не становились проблематичными в ограниченных дозах с небольшим объемом. Основываясь на этих исследованиях, правительства во всем мире пришли к общему руководству по ультразвуковым исследованиям на рабочем месте: 20 килогерц при средних объемах или 20 000 вибраций в секунду.
Это очень высокий звук — намного выше, чем большинство взрослых слышат. В видео ниже тон медленно поднимается от низкого 20-герцевого тона до 1000-кратного 20-килогерцевого. Я ничего не слышу, как только тон поднимается примерно на 16 килогерц. (Но я не могу точно сказать, что это не результат моих наушников, а мой слух.)
Проблема с исследованиями 1970-х годов, сказал Лейтон, заключается в том, что они проводились в основном на взрослых мужчинах, многие из которых работали на шумных работах и, вероятно, имели довольно слабый слух. По словам Лейтона, правительства во всем мире руководят положениями, регламентирующими ультразвуковое исследование, в отношении этих исследований. И эти правила, предназначенные для шумных рабочих мест, стали доминировать в общественных местах в развитых странах, где люди, восприимчивые к ультразвуковым волнам, могут оказаться невостребованными.
«Бабушка с ребенком на руках может пойти в общественное место, где много ультразвукового воздействия, и ребенок будет взволнован, и бабушка не будет иметь абсолютно никакого представления о том, что происходит».
Просто не так много исследователей изучают окружающий ультразвук, сказал Лейтон, поэтому данные о том, где находится ультразвук, ограничены. До сих пор он сказал, что его краудсорсированные эксперименты только что сумели отобразить ультрасонографию в центре Лондона, но они уже дали некоторые подсказки относительно того, где можно найти ультразвук.
Места, начиная от железнодорожных станций, до спортивных стадионов, до ресторанов, по-видимому, бессознательно транслировали ультразвук через определенные датчики двери или через устройства от грызунов, сказал Лейтон.
Лейтон сказал, что нет единого виновника ультразвуковых волн. Ряд машин создают их совершенно непреднамеренно. Некоторые громкоговорители воспроизводят их во время тестовых циклов. И Лейтон сказал, что он нашел производителей тех устройств, которые интересуются его исследованиями и устраняют их проблемы с ультразвуком. Другие отрасли промышленности, как и производители устройств, предназначенных для защиты от вредителей со дворов и подвалов, более упрямы.
Следующий шаг для людей, которые обеспокоены ультразвуком, сказал Лейтон, — собирать гораздо больше данных.
Прямо сейчас, трудно исследовать ультразвук по той простой причине, что большинство людей не может их слышать, поэтому большинство людей не понимают, что это вопрос, который стоит изучить. По словам Лейтона, трудно провести исследование того, представляет ли он какие-либо конкретные опасности.
«Мы действительно не можем проверять обычные ультразвуковые машины на молодых людях и причинять им боль. Я имею в виду, что это просто неэтично», — сказал он. «И это вызывает тревогу, потому что вы можете пойти в магазин оборудования, а за 50 долларов вы можете купить устройство, которое повлияет на ребенка вашего соседа. Но при этом мне никогда не позволят привести людей в лабораторию и испытывать на них влияние ультразвука».
Но, по словам Лейтона, интерес растет.
Он недавно выпустил призыв к работе над ультразвуком и получил около 30 сообщений, около 20 из которых стоили публикации.
Если человек слышит ультразвук что это значит
Ультразвуком называют механические колебания, распространяющиеся в упругих средах (жидкости, газе) и твердых телах. Воспринимается он с верхним порогом слышимости свыше 20 кГц, причем звуковое ощущение могут вызывать и более высокие частоты, но при очень высоких интенсивностях (120—145 дБ).
Источниками ультразвука на производстве являются оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологических процессов, технического контроля и измерения, а также установки, при эксплуатации которых ультразвук возникает как сопутствующий фактор.
Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома.
Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер.
Требования по ограничению неблагоприятного влияния ультразвука на работающих и население
Запрещается непосредственный контакт человека с рабочей поверхностью источника ультразвука и с контактной средой во время возбуждения в ней ультразвуковых колебаний.
В целях исключения контакта с источниками ультразвука необходимо применять:
• дистанционное управление источниками ультразвука;
• автоблокировку, т. е. автоматическое отключение источников ультразвука при выполнении вспомогательных операций (загрузка и выгрузка продукции, белья, медицинского инструментария и т. д., нанесения контактных смазок и др.);
• приспособления для удержания источника ультразвука или предметов, которые могут служить в качестве твердой контактной среды.
Для защиты рук от неблагоприятного воздействий контактного ультразвука в твердых, жидких, газообразных средах, а также от контактных смазок необходимо применять нарукавники, рукавицы или перчатки (наружные резиновые и внутренние хлопчатобумажные).
Ручные ультразвуковые источники должны иметь форму, обеспечивающую минимальное напряжение мышц кисти и верхнего плечевого пояса оператора и соответствовать требованиям технической эстетики.
Поверхность ручных источников ультразвука в местах контакта с руками должна иметь коэффициент теплопроводности не более 0,5 Вт/м.град., что исключает возможность охлаждения рук работающих.
Для снижения неблагоприятного влияния ультразвука при контактной передаче в холодный и переходный период года работающие должны обеспечиваться теплой спецодеждой по нормам, установленным в данной климатической зоне или производстве.
Стационарные ультразвуковые источники, генерирующие уровни звукового давления, превышающие нормативные значения, должны оборудоваться звукопоглощающими кожухами и экранами и размещаться в отдельных помещениях или звукоизолирующих кабинах.
Для защиты операторов, обслуживающих низкочастотные стационарные ультразвуковые источники, от электромагнитных полей необходимо проводить экранировку фидерных линий.
Общеукрепляющие процедуры (витаминизация, ультрафиолетовое облучение, комплексы гимнастических упражнений и др.) необходимо проводить и работающим в условиях воздействия низкочастотного воздушного ультразвука.
Для защиты работающих от неблагоприятного влияния воздушного ультразвука следует применять противошумы.
К работе с ультразвуковыми источниками допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие соответствующий курс обучения и инструктаж по технике безопасности.
Лица, подвергающиеся в процессе трудовой деятельности воздействию контактного ультразвука, подлежат предварительным, при приеме на работу, и периодическим медицинским осмотрам в соответствии с приказом Министерства здравоохранения и социального развития РФ № 302н от 12.04.11 г.
Основные характеристики слуха человека
Полезные статьи и актуальная информация от специалистов по слуху «Аудионика»
Порог слуха
Порогом слуха человека называют минимальный уровень звука, который человек может воспринять. Эта характеристика является одной из основных.
От порога слуха зависит слуховая чувствительность: чем ниже порог слуха, тем выше слуховая чувствительность, и наоборот. Диапазон наибольшей чувствительности звука – от 1000 до 4000 Гц. Именно в этом промежутке находится информация о речевых сигналах. Пороги слуха на частоте 200 Гц выше на 35 дБ, а на 100 Гц — на 60 дБ, чем пороги слуха на частоте 1000 Гц.
Источник: введение в аудиологию и слухопротезирование И.В. Королева
Порог дискомфорта
Порогом дискомфорта называется уровень звука, вызывающий у человека неприятные ощущения. Нормой считается 100-110 дБ, и зависит она не только от состояния органа слуха, но и от возбудимости нервной системы в целом. У пациентов с нарушениями слуха порог дискомфорта, как правило, больше 110 дБ. Однако, у многих людей с сенсоневральной тугоухостью пороги дискомфорта такие же, как и у людей с нормальным слухом либо ниже – это явление называется рекруитмент, или «феномен усиленного нарастания громкости».
Болевой порог
Болевые ощущения в органе слуха, как правило, вызывает звук, составляющий 130-140 дБ. Кроме того, следует различать порог осязания и болевой порог – в первом случае человек чувствует только давление на барабанную перепонку (130 дБ), во втором – уже болевые ощущения (140 дБ). Порог дискомфорта людей с нарушениями слуха может отличаться от нормы, но болевой порог у всех всегда одинаковый.
Частотный диапазон слуха
Нормой для человека считается способность воспринимать звуки в частотном диапазоне от 20 до 20000 Гц. Звуки, частота которых выше 20000 Гц, называются ультразвуки, ниже 20 Гц – инфразвуки. Человек может воспринять ультразвук только если его источник приложить к костям черепа – это свойство иногда используется при диагностике нарушений слуха.
Источник: введение в аудиологию и слухопротезирование И.В. Королева
Подходя к исследованию слуха, звуковой частотный диапазон принято условно делить:
на низкие частоты — до 500 Гц;
на средние частоты — 500—3000 Гц;
на высокие частоты — 3000–8000 Гц;
на сверхвысокие частоты — выше 8000 Гц
Динамический диапазон слуха
Динамическим диапазоном слуха называется совокупность уровней звука, которые человек способен воспринимать, в норме это 130 дБ. Разница между самым тихим и самым громким звуком, воспринимаемым человеческим ухом (до осязаемых или болевых порогов), велика – последний выше примерно в 10 13 раз.
В аудиологии динамическим диапазоном слуха именуют диапазон от порога слуха человека до порога его дискомфорта.
Как динамический, так и частотный диапазон у людей с нарушениями слуха может отличаться от нормы.
Дифференциальный порог слуха
Минимальные различия по частоте, интенсивности или длительности звука, воспринимаемые человеческим слухом, называются дифференциальным порогом слуха.
Именно способность обнаруживать минимальные различия между звуками позволяет нам воспринимать речь. Интенсивность и частота дифференциального порога слуха зависит от длительности, уровня и частоты звука. Нормой для человека считается 1–1,5 дБ по интенсивности на частотах 500–4000 Гц при уровне звука 40 дБ.
Причина плохого восприятия речи людьми с нарушениями слуха кроется в увеличении у них дифференциального порога слуха – они просто перестают воспринимать мелкие различия между речевыми звуками.
Бинауральный слух
Способность человека воспринимать звук двумя ушами и обрабатывать поступившие сигналы в соответствующих симметричных слуховых центрах мозга называется бинауральным слухом. Данное свойство обеспечивает так называемый процесс бинаурального слияния – это когда различные по своим характеристикам звуки, поступающие в правое и левое уши человека, воспринимаются слуховой системой человека как единый и цельный слуховой образ. Кроме того, благодаря сравнению звуков, поступающих в правое и левое ухо, слуховая система определяет, где находится источник звука.
Именно бинауральный слух позволяет нам воспринимать речь в шумных условиях – происходит так называемый эффект «бинаурального освобождения от маскировки».
Источник: введение в аудиологию и слухопротезирование И.В. Королева
Слуховая адаптация
Как и остальные сенсорные системы организма человека, слуховая система способна адаптироваться ко внешним условиям. Это проявляется во временном понижении чувствительности за счёт повышения порогов слуха в случаях излишнего звукового воздействия. Благодаря этой способности слуховая система защищает себя от повреждений.
Порог слуха повышается от любого воздействия звука, превышающего этот порог на 10-20 дБ. В случаях кратковременного воздействия звука не выше 80-90 дБ и повышение порога будет кратковременным. При более интенсивном воздействии и повышение порогов слуха будет длиться дольше – до нескольких минут. После прекращения звукового воздействия пороги слуха постепенно возвращаются в исходное состояние.
Янмаева Ольга Анатольевна
Специалист по подбору и настройке цифровых слуховых аппаратов, специалист по слуху «Аудионика»
Если человек слышит ультразвук что это значит
В древности люди считали, что звуки могут укрощать диких животных и сдвигать скалы. Древние египтяне заметили удивительное воздействие музыки на человека, индийцы разработали нотную грамоту. Пифагор доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. Это положило начало науки об акустике. Аристотель считал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий. Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн от различных источников.
Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако некоторые животные могут его слышать и издавать. В конце 16 века Л. Спалланцани первым предположил существование ультразвука, выдвинув гипотезу, что летучая мышь при полете в темноте использует звуковые волны, анализируя эхо, а не свет. После этого началось его изучение и практическое применение.
Объект моего исследования: ультразвук.
Область исследования: акустика.
Предмет исследования: свойства ультразвука.
Цель работы: применение некоторых свойств ультразвука для биологических объектов.
Актуальность и практическая значимость: данный проект связывает физические опыты с биологией.
Гипотеза: Если предположить, что с помощью ультразвука меняется структура ткани, то возможно это облегчит лечение многих заболеваний.
Задачи:
– изучить и проанализировать теоретический материал по данной теме;
– изучить свойства ультразвука и области применения;
– провести опыты и эксперименты;
– расширить кругозор исследования ультразвука;
– создать наглядное пособие.
В своей работе я использовала следующие методы исследования: анализ, синтез, эксперимент и эмпирические методы (наблюдение, сравнение).
Что такое звук? Я нашла несколько определений.
Звук – это явление, воспринимаемое органом слуха.
Звук – это волна, обладающая определенными свойствами.
Звук – это механическое колебание среды, то есть последовательность зон сжатия и растяжения.
Звук – колебательное движение частиц упругих сред.
В опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука. Но звук можно услышать не только в воздухе, но и в твердом веществе, в жидкости и газе. Звука нет только в пустоте, т.е. в вакууме, так как там нечему колебаться.
Таким образом, обязательное условие для возникновения звука – наличие упругой среды.
Ньютон предположил, что процесс распространения звука представляет собой волну. Значит, звук в окружающем мире подчиняется волновым законам. Звуковые колебания называют акустическими, а наука, изучающая звук, называется акустикой.
Любая волна характеризуется следующими величинами (Рис. 1).
Рис. 2. Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах
Наиболее часто принято разделять звук по частоте.
В зависимости от частоты условно звук разделен на следующие виды:
— инфразвук – неслышимый звук, при котором акустические колебания с частотой ниже 16 Гц.
— слышимый звук – это звук, который воспринимается человеческим ухом в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.
— ультразвук – это механические колебания упругой среды, обладающие определенной энергией и волны с частотой более 20 кГц.
— гиперзвук – упругие волны с частотами от 1ГГц.
По спектральным характеристикам ультразвуковых колебаний выделяют:
– низкочастотный ультразвук – 20 – 63 кГц
– среднечастотный ультразвук – 125– 250 кГц
– высокочастотный ультразвук – 1,0 – 31,5 МГц.
Существуют следующие источники ультразвука:
– естественные (живые – дельфины и летучие мыши) и неживые (шелест листьев).
– искусственные (акустико-механические и пьезоэлектрические (УЗИ).
Таким образом, волна – это колебания, распространяющиеся в пространстве (среде) с течением времени.
Разновидности ультразвуковых волн
Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.
Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.
Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны.
Основное свойство волны – перенос энергии без переноса вещества.
Для звуковых волн это свойство характеризуется следующими величинами [2]:
— Интенсивность звука (сила звука) – средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке.
— Мощность звука – энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, так называемая средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, и эти законы являются общими для акустических волн любого диапазона частот.
Свойства ультразвука и его применение.
Вследствие большой частоты (малой длины волны) ультразвук обладает следующими свойствами:
Интерференция ультразвука – неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства.
При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует независящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции – сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.
Отражение ультразвука от границы раздела сред. При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды.
Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости – на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны (например, в газах – жидкие капли, в водной среде – пузырьки воздуха, в твёрдых телах – различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах). Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.
Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.
Именно поэтому ультразвуковые волны: могут образовывать строго направленные пучки, ускоряют протекание процессов диффузии (взаимопроникновение), влияют на растворимость вещества и на ход химических реакций, оказывают тепловое действие, уменьшают трение по колеблющейся поверхности, уменьшают вязкость вещества, генерируют стоячую волну, образуют ветер, выбивают пыль, дегазируют жидкость, разрушают кристаллы, распыляют воду (ультразвуковая сушка, увлажнители ультразвукового типа, ингаляторы).
Под воздействием ультразвука в жидкостях образуются пустоты (кавитационные пузырьки) и происходит ультразвуковая гомогенизация (перемешивание жидкостей).
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления: первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе – с активным воздействием на вещество, третье – с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления).
При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов.
Благодаря своим разнообразным свойствам ультразвук нашёл применение в различных областях человеческой деятельности (Рис. 3).
Рис. 3. Применение ультразвука
Таким образом, понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии (Табл. 1, Рис. 4).
Рис. 4. Применение ультразвука в медицине
Визуализация стоячей волны
Звук меняет структуру вещества. В этом я убедилась, проделав следующие опыты.
Опыт № 1. При трении мокрыми ладонями рук об ручки Китайской чаши я заметила, что вода начала покрываться рябью, которая сконцентрировалась в четырех точках по окружности чаши. Возникли звуковые колебания и вода начала подпрыгивать, разбрызгивая капли над поверхностью (Рис. 5).
Рис. 5. Эффект стоячих волн (Китайская чаша)
Рис. 6. Эффект стоячих волн (Фигуры Хладни)
Опыт № 2. На пластины разной формы насыпала манку и провела смычком по краю установки, в результате на ней появилась чёткая фигура. При изменении звука фигура изменялась. Такое явление называется фигурами Хладни (Рис. 6).
Это объясняется тем, что амплитуды колебаний в определенных точках многократно возрастают. Появляются так называемые стоячие волны. Точки, где вода остается неподвижной и где скапливается манка, называется узлами стоячих волн. А места, где появляются фонтанчики и чистая от манки поверхность, соответствуют пучностям этих волн.
Таким образом, необычное поведение воды в чаше и манки на столе объясняется эффектом стоячих волн.
Свойства ультразвука идентичны свойствам звука других частот, т.е., используя ультразвук можно изменять структуру вещества.
В своих опытах я использовала источник ультразвука с магнитострикционным генератором, частота которого 44000 Гц.
Опыт № 3. Я рассмотрела, как ведут себя разные вещества при использовании ультразвука.
Рис. 7. Стоячая волна
Рис. 8. Разные вещества при использовании ультразвука
Стоячие волны получились в телах любой формы (Рис. 8). Скорость волны зависит от вещества и его состояния.
Таким образом, ультразвук приводит в движение частицы вещества.
Возможное использование ультразвука в медицине
В настоящее время в практической медицине расширяется область применения фокусированного ультразвука с целью создания в глубине тканей высокой интенсивности.
Медико-биологические аспекты использования фокусированного ультразвука состоят в разрушении биологических тканей (нейрохирургия, офтальмология, нефрология, урология); раздражении нервных структур (неврология, аудиологическая диагностика и слухопротезирование), воздействии на биологически активные точки (акупунктура), получении аэрозолей (ультразвуковая аэрозольтерапия), непосредственном воздействии на внутренние органы (внутриорганная ультразвуковая терапия).
Исследуя стоячие волны, я предположила, что они могут возникать и в биологических объектах в результате отражения от границ между тканями с различными акустическими свойствами.
Как избежать негативного воздействия лекарства на хорошие клетки? Клетка – это минимальный биологический объект [5]. Предположу, что частицы песка – это клетки нашего организма.
Из ранее сделанного опыта № 1 можно сделать вывод, что при воздействии ультразвука на организм человека, возможно, собрать зараженные клетки в пучности или в узлы и направлять лечение строго по направлению, тем самым разрушая плохие клетки (Рис. 9).
Рис. 9. Сбор плохих клеток
Рис. 10. Явление дифракции
Рис. 11. Огибание ультразвуком здоровых клеток
Рис. 12. Явление интерференции
Рис. 13. Усиленное воздействие нескольких лекарств на клетку
Рис. 14. Разрушение жировых клеток
Таким образом, ультразвук, действуя на ткани, вызывает в них биологические изменения.
Опыт № 4. На листе картона прорезала небольшую щель и дугу, т.е. создала препятствие на пути распространения колебаний. Расположила излучатель недалеко от щели (дуги) и увидела, что песчаные гребни возникали и за щелью (дугой).
Волны на поверхности бумаги огибали препятствие. Я наблюдала явление дифракции (Рис. 10).
Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука может происходить на объектах меньших размеров. Этим объектом может являться и клетка.
Таким образом, возможно, что введенное лекарство будет огибать хорошую клетку и обходить ее стороной (Рис. 11). Чтобы не уничтожить хорошие клетки вместе с плохими, нужно правильно подобрать частоту ультразвука, при этом учитывая размер клеток.
Так же необходимо учитывать акустическое сопротивление на границах мышца-надкостница-кость.
Если есть необходимость ввода лекарственных препаратов, которые смешиваются продолжительное время только при температуре человеческого тела, то можно использовать одно из свойств ультразвука.
Опыт № 5. Равномерно насыпала песок на лист картона и в двух разных местах расположила стержень генератора. В результате произошло наложение двух волновых картин друг на друга. Также попробывала наложить волны с препятствием, вырезав отверстие в картоне. Я увидела, как гребни с двух сторон обогнули отверстие и, наложились друг на друга. При этом процессе происходит сложение амплитуд. Я наблюдала интерференцию волн (Рис. 12).
Таким образом, возможно, при введении нескольких разных лекарств, реагирующих друг с другом только внутри организма, можно усилить эффект лечения (Рис. 13).
Процесс кавитации используют в медицине для разрушения жировой ткани. Жировая ткань в основном состоит из жидкости, поэтому, когда пузырьки лопаются, происходит разрушение жировой ткани (Рис. 14).
Как происходить процесс кавитации в крови? Кровь – это вязкая жидкость. Плотность крови составляет 1060 кг/куб.м.
Опыт № 6. Я взяла четыре вещества, поднесла генератор и увиденное записала в табл. 3.
Под действием ультразвука образовались кавитационные пузырьки (Рис. 15), которые могут разрушать зараженные клетки крови.
Рис. 15. Кавитационные пузырьки
Уничтожающее действие на бактерии оказывают кавитационные пузырьки, вблизи которых возникают импульсы огромных давлений [6]. Образование полостей в жидкости приводить в гибели клеток тканей (Рис. 16). Как видно из рисунка, в процессе разрушения плохих клеток участвуют кавитационные пузырьки, воздействующие на лизосому. В результате этого лизосома запускает процесс саморазрушения.
Рис. 16. Кавитация в клетке
Пузырьки ускоряют выделение ферментов для быстрого разрушения инородных частиц или вируса. Но для этого необходимо учитывать явление дифракции, чтобы избежать разрушения хороших клеток.
Таким образом, при длительном воздействии ультразвука разрушается целостность структуры клетки организма.
Ультразвук чрезвычайно интересное явление и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству.
В процессе исследования я изучила, что такое звук и его виды, рассмотрела свойства ультразвука и области его применения, создала наглядное пособие и кроссворд для проверки знаний. Подробно я остановилась на таких свойствах как дифракция и интерференция. На основе этих свойств ультразвука я провела опыты. Кавитация возникает как сопутствующее явление интерференции.
Я выдвинула несколько предположений по дальнейшему использованию ультразвука в медицине. К сожалению, я не могу не подтвердить – не опровергнуть свою гипотезу, т.к. у меня нет возможности проверить это на практике.
Как мне кажется, ультразвук может изменять состояния клеток, вызывая физическую вибрацию тканей звуковыми волнами. Ультразвуковые колебания могут разрушать клетку или стимулировать ее жизненные процессы.
Возможно, ультразвуком можно остановить размножения плохих клеток, нарушить структуру белков в клетках и вызвать изменение генов.
Может быть, в будущем изобретут ультразвуковую таблетку, которая ускорит доставку лекарств и устранит необходимость использования уколов. После проглатывания устройство пошлет ультразвуковые волны на поиск плохих клеток, сбора их в пучности и уничтожения. Для домашнего лечения можно создать ультразвуковой пластырь для точечного воздействия на пораженные участки. Испускаемые ультразвуковые импульсы будут стимулировать нарастание соединительной ткани и синтез иммунных клеток, отвечающих за процессы заживления.
При использовании ультразвука во время лечения необходимо учитывать длительность и степень излучения в связи с высокой биологической активностью, а также мощность ультразвука, так как он способен разрывать клеточные мембраны, что приводит к гибели клеток как хороших, так и плохих.
Однако точно еще не установлено, насколько широка безопасная зона между положительным действием ультразвука на больную ткань и повреждающим – на окружающую здоровую ткань.