Имя материала: Биомеханика

Автор: Владимир Иванович Дубровский

12.5. акустические воздействия

 

Под акустическими воздействиями чаще подразумевают воздействия механических волн.

 

Частота волны

 

При распространении волны частицы среды вовлекаются в колебательное движение. Частота этих колебаний называется частотой волны. Механические волны разделены на следующие частотные диапазоны, указанные в табл. 12.10.

Таблица 12.10

Шкала механических волн

Частота (Гц)

Наименование диапазона

Источники волн

0,5-20

Инфразвуковой

Цунами, тоны сердца

20—2·104

Звуковой

Голос, фонокардиограмма

2·104—105

Низкочастотный ультразвуковой

Звуки, издаваемые дельфинами, летучими мышами; магнитострикционные излучатели

105— 107

Среднечастотный ультразвуковой

Пьезоэлектрические излучатели

107—109

Высокочастотный ультразвуковой

 

 

 

Скорость распространения волны

 

При распространении волны колебания охватывают все более широкую область среды. Поверхность, отделяющую область среды, охваченную колебательным движением, от области, где колебательное движение частиц еще не началось, называют фронтом волны.

Скоростью волны называется скорость перемещения ее фронта.

Скорость волны зависит от свойств среды, характера движения ее частиц и, в некоторой степени, от частоты.

Скорость распространения механических волн, в частности, ультразвуковых широко используется для оценки механических свойств биологических тканей. В табл. 12.11 представлена скорость распространения ультразвука в некоторых тканях человека.

Таблица 12.11

Скорость распространения ультразвука в тканях человека

Ткань

Скорость v, м/с

Вода

1500

Кровь

1590

Жировая ткань

1450

Мышечная ткань, хрящи

1550—1570

Кожа

1600

Роговица, хрусталик, склера

1640—1650

 

Скорость распространения механических волн в биологических объектах зависит от их строения и состава. Очевидно, что процесс тренировки сказывается на мышечной ткани. Звуковые измерения позволили обнаружить, что тренировочный процесс приводит к заметным изменениям и в свойствах костной ткани. В табл. 12.12 приведена скорость распространения ультразвука с частотой 125 кГц по медиальной поверхности большеберцовых костей спортсменов на различных этапах тренировки.

Таблица 12.12

Скорость распространения ультразвука на различных этапах тренировки

Обследуемые

 

 

Скорость v(м/с) в нижних конечностях

правая

левая

Люди, не занимающиеся спортом

1250

1240

Спортсмены в начале сборов

1690

1640

Спортсмены в конце сборов

1650

1610

 

Звук, виды звука

 

Звук в широком смысле — упругие колебания и волны, распространяющиеся в некоторой среде; в узком смысле — явление, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.

Верхняя граница частоты колебаний, воспринимаемая ухом человека изменяется с возрастом, что показано ниже в таблице 12.13.

Таблица 12.13

Возрастная зависимость верхней границы частоты воспринимаемого звука

Возраст

Верхняя граница частоты,

Гц

Маленькие дети

22000

До 20 лет

20000

35 лет

примерно 15000

50 лет

примерно 12000

 

Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов.

• Звуковой удар — это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

• Тон — это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором) и сложным (издаваемый, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).

• Шум — это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную структуру, сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шорох, скрип).

 

Акустический спектр

 

Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов с кратными частотами и различными амплитудами. Такое представление называется разложением на составляющие тона. Тон наименьшей частоты называется основным, а остальные тона называют обертонами, или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные частоте основного тона. Такое разложение однозначно описывается указанием частот всех составляющих тонов и их амплитуд.

Акустический спектр сложного тона — это набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды).

Наибольшую амплитуду в спектре обычно имеет основной тон, а его частота воспринимается ухом как высота звука (см. ниже).

 

Физические характеристики звука

 

а) Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 330 м / с. Скорость звука в воде равна 1500 м / с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

б) Интенсивность (I). Это энергетическая характеристика звука. По определению — это плотность потока энергии звуковой волны. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

• порог слышимости — I0 = 10 -12Вт/м2,

• порог болевого ощущения —  I макс = 10 Вт/м2.

в) Звуковое давление. Распространение звуковой волны обусловливает возникновение звукового давления, которое является избыточным по отношению к среднему давлению в среде. Звуковое давление простого тона изменяется по гармоническому закону и характеризуется эффективным и амплитудным значениями

Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку. Для человека важны два значения этого параметра:

• эффективное звуковое давление на пороге слышимости — Р0 = 2·10-5Па;

• эффективное звуковое давление на пороге болевого ощущения —       Рмакс =60 Па.

Между интенсивностью (I) и звуковым давлением (Р) существует связь, которая для плоской волны записывается так:

 

где р — плотность среды, v — скорость звука в среде.

г) Волновое сопротивление среды (Rа). Важнейшей характеристикой среды, определяющей условия отражения и преломления звука (как плоской волны) на ее границе, является волновое сопротивление, равное произведению плотности среды (р) на скорость распространения звука:

 

Ra=p·v. (12.34)

д) Уровень интенсивности. Наряду с интенсивностью звука используется и другая характеристика, называемая уровнем интенсивности. Уровень интенсивности (L) равен десятичному логарифму отношения интенсивности данного звука к интенсивности звука на пороге слышимости (I0 = 10 -12Вт/м2):

 

Единицей измерения уровня интенсивности является бел [Б].

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень возрастает на 1 Б.

Интенсивность, Вт/м2

I0 

10· I0  

102· I0

103· I0

...

Уровень интенсивности, Б

0

1

2

3

 …

На практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности — децибел [дБ]: 1 дБ = 0,1Б (1 дБ соответствует двум уровням, интенсивности которых отличаются в 1,26 раза). Уровень интенсивности в децибелах выражается по следующим формулам:

 

При действии нескольких источников складываются мощности, т. е. интенсивности, а затем определяется уровень интенсивности результирующего сигнала.

 

Характеристики слухового ощущения, звуковые измерения

 

Звук является объектом слухового ощущения и оценивается человеком субъективно. Однако субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

а) Высота, тембр, громкость звука. Воспринимая звуки, человек различает их по высоте, тембру и громкости.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности волны (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр звука определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру даже в том случае, когда основной тон у них одинаков.

Громкость звука — это субъективная оценка уровня его интенсивности.

б) Закон Вебера—Фехнера, шкала громкости. Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом ВЕБЕРА—ФЕХНЕРА.

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на одинаковую величину).

На первый взгляд кажется, что громкость звука следует измерять в белах или децибелах. Действительно, при таком подходе увеличение интенсивности (раздражителя) в 10 раз вызовет увеличение громкости (ощущения звукового раздражения) на 1 Б. Однако субъективное восприятие интенсивности звука связано не только с уровнем интенсивности, но и с частотой звука. Так, например, ухо человека не воспринимает ультразвук даже при большом уровне интенсивности. По этой причине при построении шкалы громкости следует учитывать восприимчивость уха «среднего» человека к различным частотам.

Поступают следующим образом.

1. Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости — фон, которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ.

2. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по следующему правилу.

Громкость звука — это число, которое показывает уровень интенсивности звука (дБ) с частотой 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, какое вызывает данный звук.

Уровень громкости обозначают буквой Е, например, Е = 30 фон. Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты.

Зависимость громкости от частоты звука при уровне интенсивности 60 дБ

Частота, Гц

50

100

200

500

1000

2000

5000

10000

Громкость, фон

10

30

47

57

60

64

59

49

в) Кривые равной громкости. Зависимость громкости от частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков, которые называются кривыми равной громкости (рис. 12.9).

 

Рис. 12.9. Кривые равной громкости

 

Эти кривые дают зависимость уровня интенсивности / от частоты п звука при постоянном уровне громкости.

Верхняя кривая показывает верхний предел чувствительности уха, когда слуховое ощущение переходит в ощущение боли (Е = 130 фон).

Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.

Информативной для медиков кривой является нижняя кривая, соответствующая порогу слышимости. Она дает зависимость пороговой интенсивности I0 от частоты: I0 = f(v).

У человека с нормальным слухом колебания с частотой ниже 16 Гц или выше 20000 Гц слухового ощущения не вызывают. При увеличении частоты, начиная с 16 Гц, чувствительность уха растет и порог слышимости снижается, в области частот 1000—5000 Гц чувствительность наибольшая, т. е. порог минимален. При дальнейшем увеличении частоты чувствительность падает до нуля при 20000Гц.

Для измерения уровня громкости применяется прибор — шумомер. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический. Уровень громкости (дБ) регистрируется стрелочным измерительным прибором.

 

Вибрация

 

При соприкосновении с колеблющимся (сотрясающимся) объектом весь организм включается в общую систему сотрясений. Костная система, нервные структуры, вся сосудистая система являются хорошими проводниками и резонаторами вибрации (от лат. vibratio — колебание).

Вибрация может оказывать на организм различное действие. В некоторых случаях это влияние может быть благотворным — стимулирующее действие на функции различных органов и систем, но, в основном, это вредный фактор. Ниже перечислены основные отрицательные воздействия вибрации на организм

1. Вибрация влияет на вестибулярный аппарат.

2. Вибрирующие системы не дают «правильных» колебаний, к которым организм может приспособиться, а дают колебания с постоянно меняющейся частотой, амплитудой, ускорением.

3. Биологическая реакция организма зависит в основном от частоты: чем выше частота, тем больше повреждающее действие. Особенно вредны частоты 35—250 Гц.

4. Степень чувствительности человека к воздействию вибрации зависит от положения тела в пространстве. В положении стоя очень вредное влияние на организм оказывает вертикально направленная вибрация.

5. Повреждающее действие зависит от силы обратного удара, например, на ладонь, удерживающую вибрирующий элемент. Чем больше амплитуда, чем тяжелее элемент, тем сильнее травмати-ация.

6. Неблагоприятное воздействие вибрации на организм в значительной степени зависит от внешних условий. Особенно отрицательное действие оказывают низкая температура и высокая влажность.

7. Вибрация может передаваться на тело человека через нижние конечности, через все тело одновременно (сидя), через верхние конечности.

8. Колебательные движения в тканях приводят к перемещению тканевых структур относительно друг друга, что является мощным раздражителем для воспринимающих рецепторов.

9. Вибрации сказываются и на костном аппарате. Даже при незначительных, но длительных вибрациях рентгенологически подтверждаются изменения в мелких костях, например, кисти.

10. Смещение тканей при вибрации действует на периферические нервы, на костный аппарат и вызывает сильное раздражение, передающееся в ЦНС. Это приводит к сильному возбуждению вегетативных центров. Постоянный поток раздражений, идущих с периферии, вызывает изменения в функциональном состоянии не только периферических нервных рецепторов, но и центров спинного и головного мозга. Степень чувствительности организма к вибрации зависит от функционального состояния коры больших полушарий.

 

Действие шума на организм человека

 

Действие шума на организм человека определяется следующими факторами:

• близость от источника шума;

• интенсивностью шума;

• длительность воздействия;

• ограниченность пространства.

Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха).

1. Воздействие на ЦНС, проявляющееся в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.

2. Расстройство функции вегетативной нервной системы. После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм

сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастолического уровня кровяного давления. Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. Имеет место повышение потливости, особенно стоп и кистей.

3. Нарушение обмена веществ, особенно липидного. В крови повышается содержание липидов, резко возрастает уровень холестерина, что ускоряет развитие атеросклероза и развитие гипертонической болезни.

4. Угнетение иммунных реакций организма, снижение его защитных функций.

5. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.

Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10—15 дБл. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3—5 минут.

При высоком уровне интенсивности шума (80—90 дБл) его утомляющее действие резко возрастает. Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость — стойкое снижение чувствительности к различным тонам речи и шепоту.

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 | 110 | 111 | 112 | 113 | 114 | 115 | 116 | 117 | 118 | 119 | 120 | 121 | 122 | 123 | 124 | 125 | 126 | 127 | 128 | 129 | 130 | 131 | 132 | 133 | 134 | 135 | 136 | 137 | 138 | 139 | 140 | 141 | 142 | 143 | 144 | 145 | 146 | 147 | 148 | 149 | 150 | 151 |