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.