Лекции по акустике
1. Акустика, ее разделы и задачи.
Медицинская акустика.
Акустика – это раздел физики, изучающий вопросы получения, распространения, свойств механических волн, а также их взаимодействие с физическими и биологическими объектами.
Акустика делится на:
— общая акустика (исследует получение и распространение звука, методы звуковых измерений);
— архитектурная акустика изучает вопросы защиты от шумов и получением хорошей слышимости;
— техническая акустика разрабатывает вопросы практического применения звуков в технике;
— биологическая акустика изучает применение звуков живыми организмами;
— медицинская акустика – это физика и биофизика слуха и речи, условия и особенности восприятия человеком, возможности применения звука для диагностика и лечения (следует различать слышимый звук и ультразвук).
Задачей медицинской акустики является разработка гигиенических норм использования звука; разработка звуковых и УЗ-методов диагностики и лечения.
II. Звук как физическое явление. Звуковые волны и их характеристика.
Последовательное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия то в одну, то в другую сторону называется механическим колебанием. Распространяющееся в упругой среде механические колебания называются механической волной. Среда является упругой, если между её частицами есть упругие взаимодействия. Для передачи механических колебаний от одной частицы к другой необходим механический контакт частиц меж собой. По направлению колебаний условных частиц среды различают продольные и поперечные волны.
Продольная волна – возникает тогда, когда направление колебания частиц среды совпадает с направлением распространения волны (в твёрдых, жидких и газовых средах).
Поперечная волна – если направление колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны (в твёрдых телах).
Волновая характеристика звука:
1. Амплитуда — это модуль наибольшего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия.
2. Период — это время совершения частицей одного полного колебания.
3. Частота — число колебания в единицу в единицу времени n = 1/Т [Гц, 1/с ,с-1 ]
4. Длина волны — расстояние между двумя вершинами ближайших тел, колеблющихся в одной фазе [l].
5. Скорость распространения звуковой волны при неподвижном источнике звука.
|
Наибольшей является скорость распространения магнитной волны в твердом теле (от 5000 до 10000мс), в воде 1400 мс, в воздухе при 20 С и при нормальном атмосферном давлении скорость распространения звука равна 340 мс, с увеличением температуры скорость распространения звука возрастает.
По частоте механические волны разделяются:
1. Инфразвук (частота от 0 до 16 Гц)
2. Слышимый звук (от 16 до 20000 Гц)
3. Ультразвук (свыше 20000 Гц)
Инфразвук и ультразвук не слышны человеку, но воздействуют на человека. Слышимые звуки воспринимаются слуховыми анализаторами человека.
Звуковое поле и его характеристика.
Звуковым полем называется пространство, в котором распространяется звуковая волна. Характеристики звукового поля подразделяются на энергетические и линейные.
Линейные:
1. Звуковое давление — переменное давление воздуха пропорциональное звуку в среде, является добавочным к атмосферному давлению [P, Па].
2. Смещение частиц среды — это отклонение условных частиц от положения равновесия.
3. Акустическое сопротивление — величина, равная отношению звукового давления к скорости колебания частиц среды.
Z = P/u [Па×с/м] Z = r/u
где — плотность среды.
Энергетические:
Интенсивность (сила звука) — величина, численно равная энергии, переносимой через единицу времени при распространении звука: [I]
I=E/s×t
Психофизические характеристики звука.
Психофизика изучает связь физического воздействия с возникновением ощущений. Поскольку звук вызывает слуховые ощущения, то они описываются не только объективно, но и субъективно. Звуки делятся на тоны, звуковые удары, шумы.
Простой тон — это звук определенной частоты.
Сложный тон — это состоящий их кратного количества простых тонов. Графиком сложного тона служит периодическая прямая, но не синус.
Шум — большое количество простых и сложных тонов. Их количество и интенсивность постоянно меняется.
Звуковой удар — это сильное звуковое действие, короткое по времени.
Психофизические характеристики:
1. Высота тона. Ей соответствует объективная физическая характеристика — частота. Чем больше частота, тем сильнее звук.
2. Громкость. Ей объективно соответствует амплитуда и сила звука. Чем больше амплитуда, тем громче звук. Воспринимаемая громкость субъективно зависит от частоты. При одной и той же интенсивности, с увеличением частоты от 16 до 1000 Гц, громкость возрастает. От 1000 до 3000 Гц громкость не меняется. При дальнейшем увеличении частоты громкость уменьшается и исчезает.
3. Тембр. Определяется интенсивностью и количеством простых тонов, входящих в сложные звуки. Наименьшая частота — основная, а остальные овертоны.
Нарастание ощущений высоты и громкости идет по логарифмической шкале.
1. Бел
NБ = lg(I2/I1)
2. Децибел 1дБ=0,1Б
NдБ = 10×lg(I2I1)
3. Октава — логарифмическая характеристика, применяемая для характеристики частоты.
Nокт = log2(f2/f1), где f — частота, f1, f2 — границы частотного интервала.
4. Декада
Nдек = lg(t2/t1)
Условия и особенности восприятия звука человеком. Пороговые характеристики. Область слышимости.
Для того, чтобы услышать:
1. Орган слуха должен быть здоров
2. Частота звука от 16-20000 Гц.
3. Интенсивность звука должна находиться в пределах пороговой характеристики.
Пороговые характеристики определяют границу слухового ощущения на разных частотах.
Порог слышимости — это нижняя граница слухового ощущения, определяющаяся силой звука, который начинает улавливаться на данной частоте.
При частоте 1000 Гц звук становиться слышимым, при интенсивности I = 10-12 [квант/м2].
Порог боли — верхняя граница слухового ощущения, определяемая наименьшей силой звука, при которой на данной частоте возникает чувство боли. Для частоты 1000Гц,
I = 102 [ватт/м2].
Графики, характеризующие зависимость пороговых характеристик по частоте — пороговые кривые.
Область, ими ограниченная, называется областью слышимости.
С возрастом диапазон слышимости уменьшается.
Борьба с шумами.
Часть энергии, звуковой волны поглощается телами, а часть отражается. В закрытых помещениях звук полностью затухает только спустя какое-то время после прекращения действия источника звука. Это может ухудшать восприятие речи в помещении. Реверберация — процесс затухания звука. Время реверберации учитывается при строительстве аудиторий, залов и т. д. шум при этом влияет на человека. Устранение источников вредных шумов или ослабление их действия должно находиться под их контролем.
Борьба с шумами ведется путем применения звукопоглощающих материалов, озеленением улиц и т. д. норма громкости — 40-50 дБ. Предел шума для высоких частот — 80дБ, для низких частот — 100дБ. Контроль производится с помощью шумомера. В нем звуковые колебания преобразуются в электромагнитные колебания. Шкала проградуирована в децибеллах.
Звуковые методы исследования в клинике.
1) Аускультация (выслушивание звуков) – мембрана фонендоскопа прикладывается к телу пациента. Колебания передаются в полую капсулу и там усиливаются за счёт резонанаса столба жидкости (выслушивают дыхательные шумы, хрипы, тоны и шумы сердца).
2) Перкуссия (выстукивание) – здесь прослушивается звучание отдельных частей тела при их выстукивании. Тело человека представляет собой совокупность различных сред (газонаполненных, твёрдых, жидких). При ударе по поверхности тела возникают колебания, одни из которых затухают, а другие усиливаются. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.
3) Фонокардиография – это метод графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностических интерпритаций.
4) Аудиограмма – определение остроты слуха.
Тоны и шумы сердца. Фонокардиография.
Сердце – полый мышечный орган, предназначенный для перемещения крови по сосудам. При его работе возникают звуки: тоны и шумы. Они имеют различные частоты и возникают в определённый период сердечной деятельности.
По частоте они делятся на:
1) Инфразвук (менее 16 Гц).
2) Слышимые низкочастотные (16 – 400 Гц).
3) Слышимые среднечастотные (400 – 1000 Гц).
Интенсивность инфразвука самая большая, далее идет слышимый низкочастотный и самая малая интенсивность у среднечастотного. Сердечные тоны возникают при переходе от одного цикла работы к другому. Они являются слышимыми низкочастотными и быстро затухают.
Сердечные шумы возникают при давлении крови в определённых периодах сердечного цикла (они относятся к 3й группе). Они более продолжительны, но менее интенсивны.
Тоны и шумы слышны примерно одинаково. Это связано с тем, что шумы приходятся на более чувствительную область слуховых восприятий. Для записи тонов и шумов используют фонокардиограф. Он состоит из:
1) Специальный микрофон. Электродинамические конструкции с известной частотной характиристикой.
2) Усилитель сигнала микрофона с системой электрофильтров. Полоса пропускания 10 – 1000 Гц, фильтры выделяют нужную полосу частот звуков сердца.
3) Регистрирующее устройство. Запись производится на бумагу, пластину, магнитную ленту, информация выводится на экран осциллографа.
Принцип работы фонокардиографа:
На определённом участке грудной клетки устанавливается микрофон, преобразующий механические колебания в электромагнитные. Пройдя через фильтры колебания попадают в регистрирующее устройство, которое делает их видимыми.
Фонокардиограмма представляет собой периодическую кривую. Этот метод позволяет установить частоту и интенсивность тонов и шумов, определить характер их нарастания и убывания, установить соотношение во времени с отдельными фазами сердечного цикла.
Аудиометрия. Аудиометр. Аудиограмма.
Аудиометрия делится на
1) тональную (основанную на определении порога слышимости тона различной частоты),
2) речевую, в основе которой лежит определение порога разборчивости речи по отношению к стандартным словам, произносимым врачом,
3) Объективную. Смысл её состоит в том, что при подаче звукового сигнала различной интенсивности и частоты одновременно записываются сигналы и головного мозга.
Прибор аудиометр состоит из:
1) источника звукового сигнала (Это генератор звука синусоидальных колебаний с частотой 63 – 16000 Гц в октавном диапазоне.)
2) Ламповый или полупроводниковый усилитель частот.
3) Частотнонезависимый регулятор интенсивности сигнала. Он проградуирован с учётом снижения интенсивности звукового сигнала по отношению к стандартному порогу слышимости, который взят за «0».
4) Телефон (воздушной или костной проводимости с известной частотной характеристикой).
Результатом исследования является получение аудиограммы – то есть графика зависимости порота слышимости от частоты. График строится на специальном бланке, где по горизонтали откладывается частота в октавном диапазоне, а вниз по вертикали откладывается снижение остроты слуха в Дб по отношению к стандартному порогу слышимости. Аудиограмма строится отдельно для каждого уха. Во время проведения процедуры пациент находится в изолированном помещении. Аудиограмма определяет чувствительность уха на различных частотах, понижение слуха. С её помощью судят о месте поражения слуха и результате лечения.