Лекция 4. Акустика Ультразвук и инфразвук

медицинской и биологической физики для студентов 1 курса БГМУ

Кафедра медицинской

и биологической физики БГМУ

2011

в клинике (звуки слышимого диапазона)
Часть 1.

– это раздел физики, в котором изучают звук и связанные

с ним явления.



Звук или звуковая волна – это продольная механическая волна, которая распространяется в упругих средах (твёрдых телах, жидкостях и газах) и воспринимается человеческим ухом. Звуку соответствует диапазон частот ν от 16 Гц до 20000 Гц.

Звуку соответствует диапазон частот ν от 16 Гц до 20000 Гц.

Колебания с частотой больше 20000 Гц называются ультразвуком
Колебания с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком.

В газовой среде звуковая волна является только продольной,
в жидкостях и газах – и продольная, и поперечная.

Но (!) человеческое ухо слышит только продольную механическую волну.

зависит от свойств среды (температуры, плотности среды и т.д.).

Вывод

из таблицы: скорость звука
в воздухе 340 м/с,
в жидкостях и кровенаполненных тканях – около 1500 м/с,
твёрдых телах – 3000-5000 м/с.

Для твёрдых тел скорость равна: ,
где Е – модуль упругости (константа, характеризующая упругость твердого тела),
ρ – плотность тела.
Для воздуха скорость (в м/с) возрастает с увеличением температуры t (в градусах Цельсия):

– звук, источник которого совершает гармонические колебания (например, камертон). Простой

тон имеет только одну частоту ν.

Сложный тон – звук, источник которого совершает периодические негармонические колебания (например, музыкальные звуки, гласные звуки аппарата речи).
Любой сложный тон может быть разложен на простые тона по теореме Фурье, поэтому сложный тон имеет набор кратных частот νi. Спектр сложного тона линейчатый (Рис. 1а).

Шум – сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов (например, вибрации машин, скрип, шорох, согласные звуки речи) любых частот. Спектр шума сплошной (Рис. 1б).
Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие (взрыв, хлопок).

Звуки делятся на тоны (простые и сложные), шумы и звуковые удары.

связь между ними

Звук представляет собой:
с одной стороны частный случай

колебательного процесса (с точки зрения физики),
с другой стороны субъективное ощущение (с точки зрения психофизиологии).

Поэтому различают: объективные (физические), характеризующие источник звука, и
субъективные (физиологические), характеризующие приёмник (ухо).

Физиологические характеристики звука зависят от физических характеристик (Табл.2).

ощущения

Порог слышимости – это минимальная интенсивность I0, которую человек ещё

слышит, но ниже которой звук ухом не воспринимается.
Человек лучше всего слышит на частоте 1000 Гц, значит, порог слышимости на этой частоте минимален (I0=Imin) и интенсивность на пороге слышимости на этой частоте равна I0=10-12 Вт/м2.
На других частотах интенсивность на пороге слышимости выше.

Порог болевого ощущения или болевой порог – это максимальная интенсивность Imax, воспринимаемая без болевых ощущений.
При интенсивности звука больше порога болевых ощущений происходит повреждение органов слуха.
Порог болевых ощущений на частоте 1000 Гц самый низкий и равен Imax=101 Вт/м2.
На остальных частотах болевой порог выше.

Таким образом, человек слышит звуки в диапазоне интенсивностей звука:
I = 10-12 – 101 Вт/м2.
Как видно, различия в интенсивностях, соответствующих болевому порогу и порогу слышимости очень велики:

(13 порядков).

децибеллах
Поэтому вводят понятие уровня интенсивности звука L:

,
где L – уровень интенсивности звука любой частоты,
I - интенсивность данного звука,
I0 – интенсивность звука на пороге слышимости для частоты 1000 Гц (минимально возможная интенсивность).

Уровень интенсивности в СИ измеряется в Белах (Б).

Один Бел – это уровень интенсивности L такого звука, интенсивность I которого в 10 раз больше пороговой интенсивности.

На практике пользуются единицей измерения уровня интенсивности в 1 децибел (дБ), так как это наименьшее изменение уровня интенсивности, которое может различить человеческое ухо, причём 10 дБ = 1 Б.

Тогда связь уровня интенсивности L с интенсивностью I в децибелах:

в диапазоне уровней интенсивности L звука от 0 до 130

дБ.

Порог слышимости (ПС) и болевой порог (БП) разные по величине на разных частотах.

что слышит человек, даёт диаграмма слышимости (рис.2).
Диаграмма слышимости – это

зависимость интенсивности I или уровня интенсивности L от частоты звука ν.
На ней болевой порог (БП) и порог слышимости (ПС) представлены в виде кривых, т.к. они зависят от частоты. Минимальный порог слышимости I0= 10-12 Вт/м2, а болевой порог – Iмах=1- 101 Вт/м2. Эти значения определяются на частоте 1 кГц (вертикальная линия из точек на рисунке).
Вблизи этой частоты человек слышит лучше всего.
Поэтому в этом диапазоне (=500-3000 Гц) при средних слышимых интенсивностях
I = 10-8 – 10-5 Вт/м2 находится область речи.

остроты слуха с помощью диаграммы слышимости.

Для этого:
с помощью прибора

(аудиометра) снимают пороговые кривые ПС (говорят: «снимаем аудиограмму») у больного и
сравнивают их с аудиограммой (диаграммой слышимости) здорового человека.

Порог слышимости у нормальных людей («норма»), принимается за 0 дБ. Определяется отличие порога слышимости пациента от нормы.
Из-за индивидуальных различий людей пороги слышимости до 20 дБ считаются нормой.

Символы на аудиограмме показывают пороги слышимости при воздушном и костном звукопроведении для каждой из основных частот.

Для обозначения воздушного и костного звукопроведения, левого и правого уха используются различные символы.

Правое ухо

Левое ухо

Понижение слуха, дБ

Е) показывает уровень слухового ощущения.
При восприятии звука громкость, то

есть сила ощущения человека, не совпадает с интенсивностью, а отстает от неё.

Громкость определяется по закону Вебера-Фехнера.

Звуковое ощущение (громкость E) растёт в арифметической прогрессии, если интенсивность раздражителя I растёт в геометрической прогрессии, т.е.
физиологическая реакция (громкость E) возрастает не прямо пропорционально интенсивности раздражителя I, а значительно слабее – прямо пропорционально десятичному логарифму I (рис.3):

В задачах удобнее другая формулировка этого закона.

Закон Вебера-Фехнера: Изменение громкости (ΔE) прямо пропорционально десятичному логарифму отношения интенсивностей звуков, вызвавших это изменение громкости:

где E1 – громкость звука с интенсивностью I1,
E2 - громкость звука интенсивности I2,
k1 - коэффициент пропорциональности.
Обе эти формулировки верны.

Закон Вебера-Фехнера

слышимого звука E и громкость звука на пороге слышимости E0.

Но громкость звука, которая соответствует порогу слышимости, равна нулю (E0 = 0).

Тогда закон Вебера-Фехнера: ,
где Е – громкость произвольного звука с интенсивностью I,
I0 – интенсивность на пороге слышимости на частоте 1000 Гц (I0=10-12 Вт/м2),
k1 = 10 k, а k – коэффициент селективности, причём 0 < k ≤1.

Для звука частотой 1000 Гц коэффициент селективности наибольший k =1, тогда формула имеет вид:


На всех других частотах уровень громкости меньше уровня интенсивности, т.к. E= k L.

А значит, в виде формулы закон Вебера-Фехнера следует писать так:

Громкость Е зависит от амплитуды колебаний:
маленькая амплитуда – тихий

звук, большая амплитуда – громкий звук (рис.4)

Громкость (уровень громкости) в СИ измеряется в фонах (фон).

На частоте 1000 Гц громкость, выраженная в фонах, равна уровню интенсивности, выраженному в децибелах: E=L

Для других частот коэффициент селективности k является функцией частоты и интенсивности k=f(ν,I), а его значение находят по специальным графикам, которые называются кривыми равной громкости.
Человек слышит звуки в диапазоне громкости (уровней громкости) Е звука от 0 до 130 фон.

Громкость

Высота звука

каком диапазоне слышит человек:
диапазон частот: ν= 16–20000 Гц;

диапазон интенсивностей: I=10-12

– 101 Вт/м2;

диапазон уровней интенсивности: L= 0 – 130 дБ;

диапазон уровней громкости: Е = 0 – 130 фон.

звука его высота и тембр?
Музыкальные звуки с одним и тем

же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов (гармоник): их частотами νi и амплитудами Аi, характером нарастания амплитуд в начале и их спадом в конце звучания.

Таким образом, тембр звука определяется его гармоническим спектром:
чем больше обертонов, тем тембр считается более богатым,
чем больше амплитуды обертонов, тем тембр считается более насыщенным.

Высота звука определяется амплитудой А его основной частоты ν1 в гармоническом спектре (см. рис. 6), причём чем больше частота колебаний, тем выше звук (рис.4).

Например, у рояля самый низкий звук 27 Гц, а самый высокий – 4185 Гц.

(звуки слышимого диапазона)
Различают следующие методы:

Аускультáция – прослушивание звуков организма непосредственно

или с помощью приборов (фонендоскоп, стетоскоп).
Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей мембраной, которая прикладывается к телу, от неё идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вызывающий усиление звучания и, следовательно, улучшение выслушивания.
Выслушиваются дыхательные шумы, хрипы, тоны сердца, шумы в сердце.

Перкýссия – простукивание поверхности тела и дальнейший анализ перкутóрного (отраженного) звука.
Постукивание осуществляется либо с помощью специальных молоточков или с помощью пальцев. По тону перкуторных звуков определяется состояние и топография органа.

Работа различных органов человека сопровождается звуками, которые могут быть источником информации о состоянии органов человека. Анализируя их, можно диагностировать заболевание..

в медицине
Часть 2.

Воздействие инфразвуком на организм вызывает комплекс нежелательных ощущений:
головокружение,
затруднение

дыхания,
боли в животе,
чувство страха и др.

В основе такого воздействия предполагаются резонансные эффекты: частоты собственных колебаний тела человека (его отдельных частей и органов) совпадают с частотным диапазоном инфразвука.


Первичные механизмы воздействия инфразвука на биологические объекты изучены недостаточно!

Инфразвук

Инфразвук – это механические волны с частотами менее 16 Гц.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

пьезоэлектрического эффекта, прямого и обратного.
Ультразвук
Ультразвук – это продольные

механические волны, частоты которых лежат в интервале 2·104 – 1010-12Гц.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

УЗ-приёмник работает на принципе прямого пьезоэлектрического эффекта:
под действием механической УЗ-волны возникает деформация пластинки пьезокристалла, которая приводит к генерации в нём переменного электрического тока, который может быть измерен.

УЗ-излучатель работает на принципе обратного пьезоэлектрического эффекта:
под действием электрического тока, идущего в цепи, в которую встроена пластинка пьезокристалла, в этом кристалле возникает механическая деформация (Рис.6).
Пластинка начнет вибрировать, излучая механическую волну с частотой текущего в цепи электрического тока I.

свойства: кварц, сегнетова соль и др.

Большое преимущество пьезопреобразователя: источник УЗ

служит одновременно и УЗ приемником.

Выбирая датчик для использования, нужно помнить:
чем ниже частота ультразвука, тем лучше его проникновение в глубокие ткани, но тем хуже разрешение получаемого изображения.

Поэтому наиболее популярные частоты ν для УЗ воздействия от 1 до 10 МГц.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

Пьезоэлектрический УЗ-датчик

Аппарат УЗИ
(ультразвукового исследования)

и инфразвук
По физической природе УЗ не отличается от звука:
Ультразвук -

это тоже продольная механическая волна.
При её распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды.
Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы.

Однако у ультразвука существуют особенности:
Бóльшее разрешение у УЗ.
Бóльшая интенсивность для УЗ-волны достигается легче, чем для звука.

размером не меньше длины волны λ.

Длина волны λ ультразвука

существенно меньше длины звуковой волны.

Докажем это:
По определению λ = v/ν, тогда длина волны для звука с частотой 1 кГц (103 Гц) и ультразвука с частотой 1 МГц (106 Гц) равны:

для звука: λ зв = 1500/1000 = 1,5·103/103 =1,5 м,

для ультразвука: λ уз = 1500/1000000 = 1,5·103/106 = 1,5 мм.

Вывод: при облучении УЗ можно различить детали гораздо мẻньших размеров, чем при облучении слышимым звуком, т.е. разрешение УЗ выше, чем у звука.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

ультразвуковой волны, определяемая по аналогии со звуком, по формуле:

пропорциональна квадрату циклической частоты ω0, а значит и квадрату линейной частоты ν (ω=2πν).


Значит, можем получить ультразвук значительной интенсивности I даже при небольших амплитудах колебания A.

При этом ускорение частиц окружающей среды, колеблющихся в УЗ-волне, будет большим. Это позволяет эффективно разрушать внутренние ткани и дробить конкременты (желчные и почечные камни)

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

где Е – модуль упругости (константа, характеризующая упругость твердого тела),

ρ – плотность тела.
Тогда:

При падении звука или ультразвука с интенсивностью Iпад на границу раздела двух сред возникают:
отраженные волны с интенсивностью
Iотр = RIпад, где R – коэффициент отражения, и
волны, проходящие во вторую среду, с интенсивностью
Iвх = Iпад, где β – коэффициент пропускания.

Особенности отражения и поглощения ультразвука и звука

Главная характеристика акустических свойств среды - звуковый импеданс Z (акустическое или волновое сопротивление):
где ρ – плотность вещества среды,
v – скорость звука (ультразвука) в данной среде.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

среды в другую, зависит от соотношения между величинами звуковых импедансов

Z обеих сред.

Для ультразвука, как и для звука, при нормальном (перпендикулярном) падении УЗ волны на границу раздела двух сред коэффициент отражения R равен:.






Видно, что чем больше различаются волновые сопротивления сред, тем меньшая доля энергии переходит через границу раздела двух сред.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

в 3000 раз больше, чем у воздуха. Поэтому отражение на

границе раздела мягкая ткань /воздух значительно больше, чем на границе мягкая ткань/жидкость.

Отражение на границе воздух/кожа составляет 99,99%.

Вывод: если УЗ-излучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем смазки (водным желе), которая выполняет роль переходной среды, уменьшающей отражение.
Смазка должна удовлетворять следующим требованиям:
иметь звуковой импеданс Z, близкий к Z кожи;
слабо поглощать УЗ;
иметь значительную вязкость (чтобы смазка не растекалась по коже);
хорошо смачивать кожу;
быть нетоксичной.
Примеры смазки для УЗ- исследований (УЗИ):
вазелиновое масло, глицерин и др.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

Слой смазки

Кожа

среду происходит их поглощение по закону:


где k – показатель

ослабления, зависящий от свойств среды и частоты волны (константа).

Закон читается так:
Интенсивность волны Iпрош после прохождения в среде расстояния х (интенсивность прошедшей волны) прямо пропорциональна интенсивности I0 волны, падающей на среду, и уменьшается по экспоненте с увеличением толщины среды х (смотри рисунок).

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

Поглощение акустических волн в среде сильно зависит от их частоты :
с увеличением частоты показатель ослабления k увеличивается.

Поэтому высокочастотные акустические волны (ультразвук) поглощаются сильнее, чем низкочастотные (звук).

которые посылает источник УЗ в глубь ткани:

А-метод
М-метод
В-метод

Лекция 4. Акустика,

ультразвук и инфразвук

залегания различных органов человека по принципу эхолокации.
Ультразвук отражается от

каждой границы между тканями с различным звуковым импедансом Z.
Поэтому по времени t, через которое УЗ-сигнал вернулся, проделав путь S, можно определить глубину H залегания данной ткани: Н = S/2=(vt)/2.

Чем плотнее ткань (плотность ρ больше), тем амплитуда сигнала А меньше.

Примеры:
определение продольных размеров глазного яблока и структур глаза (эхоокулометрия),
измерение разницы расстояний от поверхности головы до её внутричерепных структур,
выявление объемных поражений мозга (опухоли, гематомы, инородные тела) (эхоэнцефалография).

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

оценки движения органов и тканей (например, метрального клапана сердца).

Непрерывное

движение клапана представляется на мониторе в виде непрерывной периодической кривой, характеризующей их функционирование.
Работа здорового сердца создаёт специфический стандартный вид кривой отраженной УЗ волны.
Обнаружение у пациента вида кривой отраженной УЗ волны, резко отличающейся от стандартного для здорового сердца, говорит о патологии, и пациент далее изучается с помощью В-метода.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

Сочетание эффектов отражения, рассеивания и поглощения вызывает снижение интенсивности I УЗ волны, проходящей через ткани.
Это снижение интенсивности I приводит к тому, что отражённый сигнал, приходящий от структуры, расположенной в глубине, значительно слабее того, который образовался от более поверхностно расположенного объекта, имеющего такой же звуковой импеданс Z.

источника ультразвука по исследуемой поверхности тела человека и позволяет получить

на экране монитора изображение органа в виде пятен разной яркости (по типу рентгеновского снимка).

Таким образом, получаем изображение органов в различных сечениях (срезы на различной глубине) – томографию органов и тканей.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

нагреванию ткани,
3) кавитациям (локальным разрывам жидкости и образованию в

ней пузырьков),
4) ионизации и диссоциации молекул.

Облучение УЗ используется в:
УЗ диагностике
УЗ терапии
УЗ хирургии

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

возникают растягивающие силы, которые приводят к разрыву в сплошной жидкости

в данном месте и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости.
Это явление называется кавитацией.
Кавитации существуют недолго. Пузырьки быстро захлопываются, что сопровождается сильным разогревом их содержимого. При этом выделяются газы, содержащие атомарные и ионизированные компоненты. В результате вещество в области кавитаций подвергается интенсивным воздействиям: в небольших объёмах выделяется значительная энергия, поэтому происходит разогрев вещества, ионизация и диссоциация молекул.
При интенсивностях меньше I= 0,8104 Вт/м2, кавитации не происходят.

Взаимодействие ультразвука с веществом

а) Деформация. При распространении УЗ-волны в веществе развиваются деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением его частиц (т.к. УЗ-волна является продольной).
В зависимости от интенсивности I эти деформации могут вызывать либо незначительные структурные изменения, либо её разрушение. Это используется при измельчении или диспергировании сред.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

сопровождается переходом механической энергии в тепловую. Тепло образуется в областях,

примыкающих к границам раздела сред с различными звуковыми импедансами Z. Тепло выделяется и при отражении ультразвука. При этом интенсивность I волны вблизи границы увеличивается, поэтому возрастает и количество поглощенной энергии Епогл.
В этом можно убедиться экспериментально: если к влажной руке приложить излучатель УЗ, то скоро на противоположной стороне ладони возникает ощущение, похожее на боль от ожога, вызванное ультразвуком, отражённым от границы кожа–воздух.

г) Химические реакции. При действии УЗ в веществе происходит диссоциация и ионизация молекул, а также могут происходить как окислительные, так и восстановительные реакции, причём даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы.
Применение УЗ в медицине давно не ограничивается только диагностикой.

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

и костные ткани УЗ с частотами 1–10 МГц.
–

наложение УЗ колебаний с частотами 20–75 кГц и амплитудой 10–50 мкм
на хирургический инструмент.

для соединения биотканей:
– ультразвуковой остеосинтез
– ультразвуковая сварка мягких тканей

Лекция 4. Акустика, ультразвук и инфразвук

Ультрафонофорéз - введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ.
Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, если в электрическом поле Е движутся лишь заряженные частицы, то в УЗ поле перемещаются также и незаряженные частицы.
Под действием ультразвука увеличивается проницаемость клеточных мембран р, что способствует проникновению лекарственных веществ в клетку, тогда как при электрофорезе лекарственные вещества концентрируются, в основном, между клетками.

УЗ-терапия. Используют УЗ с частотами 0,8–3 МГц и интенсивностью до 1 Вт/см2.

УЗ-хирургия. Используют УЗ:

биологической физики для студентов 1 курса БГМУ

Кафедра медицинской и биологической

физики БГМУ