Ультразвук – это упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц и до 1 ГГц, которые не слышимы человеческим ухом. Источниками ультразвука являются все виды ультразвукового технологического оборудования; ультразвуковые приборы и аппаратура промышленного, медицинского и бытового назначения, которые генерируют ультразвуковые колебания в диапазоне от 18 кГц до 100 МГц и выше.

Различают следующие виды ультразвука:

• низкочастотные (до 100 кГц) ультразвуковые колебания, которые распространяются контактным и воздушным путем;
• высокочастотные (100 кГц-100 МГц и выше) ультразвуковые колебания, которые распространяются исключительно контактным путем.

Неблагоприятному воздействию ультразвука подвергаются дефектоскописты, операторы очистных, сварочных, ограночных агрегатов, медицинский персонал физиокабинетов и отделений, работники учреждений здравоохранения, проводящие ультразвуковые исследования и др. Установлено, что работающие с технологическими и медицинскими ультразвуковыми источниками подвергаются воздействию ультразвука с частотой колебаний 18 кГц-20 МГц и интенсивностью 50-160 дБ.

Воздействие ультразвука на организм человека

Ультразвуковые волны способны вызывать разнонаправленные биологические эффекты, характер которых определяется интенсивно­стью ультразвуковых колебаний, частотой, временными параметрами колебаний (постоянный, импульсный), длительностью воздействия, чувствительностью тканей.

При систематическом воздействии интенсивного низкочастотного ультразвука, если его уровень превышает предельно допустимый, у работников могут наблюдаться функциональные изменения центральной и периферической нервной системы, сер­дечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов, гуморальные нарушения. Данные о действии высокочастотного ультразвука на организм человека свидетельствуют о поли­морфных изменениях почти во всех тканях, органах и и системах. Происходящие под воздействием ультразвука (воздушного и контактного) изменения подчиняются общей закономерности: малые интенсивности стимулируют, активируют. Средние и большие – угнетают, тормозят и могут полностью подавлять функции. С 1989 года вегето-сенсорная полиневропатия рук (ангионевроз), развивающаяся у работников при воздействии контактного ультразвука, признана профессиональным заболеванием и внесена в список профзаболеваний.

Профилактика неблагоприятного воздействия ультразвука

Гигиеническое нормирование воздушного и контактного ультра­звука направлено на оптимизацию и оздоровление условий труда работ­ников, занятых выполнением трудовых функций с технологическими и медицинскими ультразвуковыми источниками. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука про­мышленного, медицинского и бытового назначения» устанавливают гигиеническую классификацию ультразвука, воздействующего на чело­века – оператора, нормируемые параметры и предельно допустимые уровни ультразвука для работающих и населения, требования к контролю воздушного и контактного ультразвука, а также меры профилактики.

При совместном воздействии контактного и воздушного ультра­звука следует применять понижающую поправку (5 дБ) к предельно допустимому уровню контактного ультразвука, облачающего более вы­сокой биологической активностью. Уровни воздушного и контактного ультразвука от источников бытового назначения (стиральные машины, устройства для отпугивания насекомых, грызунов, собак, охранная сигнализация и пр.), которые работают на частотах ниже 100 кГц, не должны превышать 75 дБ на рабочей частоте.

И целях профилактики неблагоприятного воздействия на работни­ков ультразвука следует также руководствоваться ГОСТ 12.4.077-79 «ССБТ. Ультразвук. Методы измерения звукового давления на рабочих местах», ГОСТ 12.2.051-80 «ССБТ. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности», ГОСТ 12.1.001-89 «ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности» и другими нормативно-методическими документами.

Защита от неблагоприятного воздействия ультразвука

Защита работников от неблагоприятного воздействия ультразвука достигается путем:

• проведения предварительных и периодических медосмотров;
• физиопрофилактических процедур (тепловые воздушные с микромассажем и тепловые гидропроцедуры для рук, массаж верхних конечностей и др.),
• рефлексопрофилактики;
• гимнастических упражнений;
• психофизической разгрузки;
• витаминизации, сбалансированного питания;
• организации рационального режима труда и отдыха и др.

Защита от инфразвука

Инфразвук – это акустические колебания с частотой ниже 20 Гц, которые находятся в частотном диапазоне ниже порога слышимости. Производственный инфразвук возникает в тех процессах, что и шум слышимых частот.

В настоящее время максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ. К объектам, на которых инфразвуковая область акустического спектра преобладает над звуковой, относятся автомобильный и водный транспорт, конвертерные и мартеновские цехи металлургических производств, компрессорные газоперекачивающих станций, портовые краны и др.

Особенности инфразвука

Инфразвук как физическое явление подчиняется общим закономерностям, характерным для звуковых волн, однако обладает целым рядом особенностей, связанных с низкой частотой колебаний упругой среды:

1. Имеет во много раз большие амплитуды колебаний, чем акустические волны при равных мощностях источников звука;
2. Распространяется на большие расстояния от источника генерирования ввиду слабого поглощения его атмосферой.

Большая длина волны делает характерным для инфразвука явление дифракции (от лат. diffraclus - разломанный) – огибание волнами различных препятствий, если размеры препятствия около длины волны или больше. Инфразвук проникает в помещения и обходит преграды, задерживающие слышимые звуки. Инфразвуковые колебания способны вызвать вибрацию крупных объектов вследствие явлений резонанса. Указанные особенности инфразвука затрудняют борьбу с ним.

Воздействуя на организм человека, инфразвук вызывает неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные измене­ния, к числу которых относятся астенизация, изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе.

Действующими санитарными правилами и нормами СанПиН 2.2.4/2.1.8.583-96 «Инфразвук на рабочих местах, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки» установлены предельно допустимые уровни инфразвука на рабочих местах с учетом тяжести и напряженности выполняемой работы:

• для работ различной степени тяжести в производственных помещениях и на территории организаций предельно допустимые уровни инфразвука составляют 100 дБ Лин;
• для работ различной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности – 95 дБ Лин;
• для колеблющегося во времени и прерывистого инфразвука уровни звукового давления не должны превышать 120 дБ Лин.

Основные методы и средства защиты от инфразвука

Основными методами и средствами защиты от инфразвука являются:

• изменение режима работы технологического оборудования – увеличение его быстроходности с тем, чтобы основная частота следования силовых импульсов лежала за пределами инфразвукового диапазона;
• снижение интенсивности аэродинамических процессов: огра­ничение скоростей движения транспорта, снижение скоростей истечения жидкостей;
• глушители интерференционного типа;
• рациональный режим труда и отдыха;
• использование средств индивидуальной защиты (противошумы, специальные пояса и др.).

Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.

В организме ультразвук частотой 800-1000 кГц распространяется на глубину 8-10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.

Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

Основные источники инфразвуковых волн.

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию интенсивности уровня инфразвука.

Основные техногенные источники инфразвуковых колебаний в городах приведены в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека

В конце 60-х гг. французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5-9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют ИЗ-частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из этого места.

Профессор Гавро познакомился с инфразвуками почти случайно. В одном из помещений лаборатории, где работали его сотрудники, с некоторых пор стало невозможно находиться. Достаточно было пробыть здесь два часа, чтобы почувствовать себя совсем больным: кружилась голова, наваливалась усталость, мысли путались, а то и вовсе не хотелось думать о чём-либо.

Прошёл не один день, прежде чем исследователи сообразили, где следует искать неизвестного врага. Им оказались инфразвуки большой мощности, создаваемые вентиляционной системой нового завода, построенного близ лаборатории. Частота этих волн равнялась 7 Гц. Профессор Гавро высказал предположение, что биологическое действие инфразвука проявляется, если частота волны совпадает с так называемым альфа-ритмом головного мозга.

Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Возможно, что оно связано с возбуждением резонансных колебаний в организме. Так, собственная частота нашего вестибулярного аппарата близка к 6 Гц, и многим знакомы неприятные ощущения при длительной езде в автобусе, поезде, при плавании на корабле или качании на качелях. Говорят: «Меня укачало».

При воздействии инфразвука могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазом, начинает «ломаться» горизонт, возникают проблемы с ориентацией в пространстве, приходят необъяснимые тревога и страх. Подобные же ощущения вызывают и пульсации света частотой 4-8 Гц. Ещё египетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, связывали его и с помощью зеркала пускали в глаза пульсирующий солнечный луч. Через некоторое время у пленника появлялись судороги, начинала идти пена изо рта, психика подавлялась, и он начинал отвечать на вопросы.

Сходные воздействия инфразвука и мигающего света, не считая даже повышенную громкость звука, испытывают посетители дискотек. Вполне возможно, что они не проходят бесследно, и в организме могут происходить какие-либо нежелательные и необратимые изменения.

Британские учёные продемонстрировали, что под воздействием инфразвука люди испытывают примерно те же ощущения, что и при «встречах» с призраками. Был поставлен такой эксперимент. С помощью семиметровой трубы учёным удалось подмешать к звучанию обычных музыкальных инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта слушателей (а их было 750 человек) попросили описать впечатления. «Подопытные» сообщили, что чувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже бежали мурашки, у кого-то возникало тяжёлое чувство страха.

При землетрясениях и подвижках земной коры генерируются волны трёх типов: P, S, и L. P-волны (от англ. primary - первичный) - продольные волны сжатия-растяжения, распространяются на огромные расстояния со скоростью звука в данной среде. S-волны (от англ. secondary - вторичный) - поперечные, они могут распространяться только в скальных породах. L-волны (волны Лява, по имени открывшего их учёного A.Love) подобны морским и распространяются вдоль границ разных сред с малой скоростью, зависящей от частоты. Волна инфразвука, дойдя до поверхности Земли от центра землетрясения, превращается в L-волну, которая и вызывает наблюдаемые многочисленные разрушения. Такие же, но более слабые, волны возникают при подземных ядерных взрывах.

Инфразвук - причина катастроф. Дело в том, что в Мировом океане громадные запасы метангидрата - метанового льда. Это конгломерат воды и газа, состоящий из кластеров из 32 молекул воды и 8 молекул метана. Метангидраты образуются там, где на морском дне через трещины в земной коре выделяется природный газ. Инфразвуковая волна, обладая огромной энергией, разрушает метановый лёд, и газ метан выделяется в воду. Кратеры, выделяющие метан, были обнаружены научно-исследовательским кораблём «Полярная звезда» (ФРГ) в море Лаптевых и у берегов Пакистана в 1987 г. Образующаяся при выделении метана газоводяная смесь имеет очень малую плотность, и корабль, оказавшийся в этой зоне, может внезапно утонуть. Так же и самолёт, пролетающий над таким местом, может неожиданно глубоко «провалиться» в воздушную яму и удариться о поверхность воды. Считается, что многие необъяснённые катастрофы кораблей и самолётов связаны именно с непредсказуемым выделением метана из морских глубин.

Инфразвуковые колебания в атмосфере Земли являются результатом действия многочисленных причин: галактических космических лучей, гравитационных воздействий Луны и Солнца, падений метеоритов, электромагнитных излучений и корпускулярных потоков от Солнца, а также геосферных процессов. Взаимодействие электромагнитного излучения с оптическими неоднородностями атмосферы может приводить к генерации акустических колебаний в широком диапазоне частот. Следует ожидать поэтому, что в спектре ИЗ-колебаний атмосферы должна проявляться ритмика солнечной активности. Это может обуславливать широко известную связь солнечной активности с биосферными процессами.

ИЗ-колебания в атмосфере связаны также с сейсмической активностью, причём они могут быть и внешним воздействием на подготовительные процессы, и их результатом. Связь интенсивности сейсмических процессов с солнечной активностью была обнаружена при анализе глобальной сейсмичности и 11-летних солнечных циклов. Сейчас считается, что эта связь осуществляется через циклоническую активность в атмосфере.

В ЛЦ ИКИ в результате анализа спектров инфразвука, полученных в период 1997-2000 гг., обнаружены годовые, сезонные, 27-суточные и суточные периоды колебаний. Подтверждена гипотеза о возрастании энергии инфразвука при уменьшении солнечной активности. Максимальная годовая энергия инфразвука наблюдалась в 1997 г., когда солнечная активность была в минимуме, аналогичное наблюдалось и при её кратковременных (5-10 суток) изменениях. Исследования ИЗ-спектров до и после крупных землетрясений показало их характерные изменения перед крупными землетрясениями. В результате экспериментов по наблюдению электромагнитных откликов на акустические возмущения в атмосфере, создаваемые с помощью мобильного акустического излучателя, доказана связь инфразвука с геомагнитными вариациями.

Таким образом, Солнце, межпланетная среда, атмосфера и литосфера представляют собой единую систему, и существенную роль в процессах их взаимодействия играют ИЗ-волны.

4. УЛЬТРАЗВУК

Ультразвук - упругие волны высокой (более 20 кГц) частоты. Хотя о существовании ультразвука учёным было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.

Генерация ультразвуковых (УЗ) волн. Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. В газовой среде УЗ-волны обычно возбуждаются механическими излучателями разного рода - сиренами прерывистого действия. Мощность ультразвука - до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. УЗ-волны в жидкостях и твёрдых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

Сирена - один из видов механических УЗ-излучателей. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены имеют камеру, закрытую сверху диском (статором) с большим количеством отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают. Основная задача при изготовлении сирен - это, во-первых, увеличить число отверстий в роторе и, во-вторых, увеличить скорость его вращения. Однако совместить эти требования очень трудно.

Применение ультразвука в Медицине

Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет, но до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме его воздействия на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый микромассажем.

Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.

Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей мозга и постановки диагноза.

Акушерство - область медицины, где эхоимпульсные УЗ-методы наиболее прочно укоренились, как, например, ультразвуковое исследование (УЗИ) движения плода, которое недавно прочно вошло в практику. Сейчас происходит накопление информации по движению конечностей плода, псевдодыханию, по динамике сердца и сосудов. Пока исследуются физиология и развитие плода, а до обнаружения аномалий пока ещё далеко.

Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологий и аномалий его структур в случае непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Область позади глаза - орбита - доступна обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов исследования патологий этой области.

Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных сосудов. Это связано с возможностью быстрого получения пространственной информации, а также возможностью её объединения с томографической визуализацией.

Терапия и хирургия. Давно известно, что УЗ-излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил его повреждающее действие на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что УЗ-волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь недавно стал намечаться научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии УЗ-излучения с биологической средой. Терапевтический ультразвук можно разделить на ультразвук низких и высоких интенсивностей - соответственно неповреждающий нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты) и стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений (физиотерапия и некоторые виды терапии рака). При более высоких интенсивностях основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях (хирургия). Электронная аппаратура используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком.

Инфразвук представляет собой звуковые волны низкой частоты, которые люди не слышат. Так как слуховой аппарат людей может воспринимать звуки в пределах частот от 16 до 20 тысяч, то за верхний уровень частот инфразвука принято считать 16 Гц. Наименьший уровень этого диапазона расположен на уровне 0,001 Гц. Однако на практике интерес представляют колебания, имеющие десятую или сотую доли герца.

Что это

Инфразвуковые волны представляют низкочастотные механические колебания менее 16 Гц. Его источниками могут являться естественные объекты в виде грозовых разрядов или землетрясений, а также искусственные объекты в виде станков, автомобилей, взрывов или специальных устройств. Волны также могут сопровождать шумы при работе транспорта и промышленных установок. Типичным примером таких низкочастотных колебаний является вибрация.

Так как инфразвуковые колебания слабо поглощаются разными средами, они могут перемещаться на весьма значительные расстояния по поверхности земли, воды и воздуха. Благодаря такому свойству удается определить расположение эпицентра землетрясения, мощного взрыва либо стреляющей пушки. Так колебания в океане идут на большие расстояния, то фиксирующее оборудование может за определенный период времени получить данные о возникновении стихийного бедствия, к примеру, цунами.

Природа появления инфразвуковых колебаний аналогична слышимому звуку, вследствие чего им свойственны те же физические принципы, что и обычному звуку. Инфразвукимеет достаточно большую длину волны, вследствие чего у них наблюдается ярко выраженная дифракция. Вообще дальнобойность является важным свойством сверхнизкого звука. Благодаря способности отражения и дальнобойности инфразвуковые волны находят широкое применение в самых разных областях науки и техники.

Принцип действия

Инфразвукможет создавать любое тело, которое имеет определенное колебательное движение. Так как частота собственных колебаний снижается с увеличением размеров объекта, то в большинстве случаев инфразвуковые волны появляются при колебаниях или быстрых перемещениях. Например, в домашних условиях их можно получить ударом по натянутому полотну ткани или резком закрытии двери и так далее. Источниками таких колебаний могут послужить и природные явления: гроза, землетрясения и тому подобное.

Генераторами незатухающих волн являются устройства, которые напоминают свистки. Если труба имеет закрытый конец, то длина волны соответствует 1/4 стоячей волны. Так как длина волны является большой, то следует брать большую трубу. При помощи свистков можно получить весьма значительные мощности. К примеру, инфразвуковой «свисток», который создал французский ученый Гавро, имел наибольшую мощность в 2 кВт и диаметр в 1,5 м. При его использовании появлялись волны, которые приводили к появлению трещин на стенах. Если бы его включили на всю мощность, то волны могли бы разрушить целое здание.

Инфразвуковые волны гораздо лучше проникают в помещения, чем звуковые. К тому же они оказывают неблагоприятное влияние на человека. При длительном воздействии у людей появляется раздражение, головная боль и усталость. Действие волн на человека объясняется резонансной природой. В случае приближения частот колебаний тела к частотам внешней инфразвуковой волны наблюдается эффект резонанса.

Если человек лежит, то его частота тела человека равняется 4 Гц, в стоячем положении она составляет от 5 до 12 Гц. При этом каждый орган человека имеет свою частоту колебаний. Для брюшной полости частота составляет 3-4 Гц, для грудной клетки – в пределах 6-8 Гц и так далее. При совпадении волн с этими частотами происходит резонанс, который вызывает неприятные ощущения, а в некоторых случаях приводит к весьма тяжелым последствиям. Именно поэтому в промышленности, транспорте и жилых домах принимаются меры, чтобы снизить воздействие инфразвуковых колебаний.

При возникновении резонанса человеку кажется, что его внутренние органы начинают вибрировать. Инфразвукопределенной частоты способен вызвать даже расстройства мозга, привести к слепоте и даже вызвать смерть. По такому же принципу инфразвуковые волны воздействуют и на другие объекты. К примеру, в истории известен случай, когда по каменному мосту маршем, чеканя шаг, передвигался отряд солдат. В результате возникли колебания, которые совпали с внутренней частотой моста. Возник резонанс, который привел к разрушению моста.

Применение

Инфразвукявляется не только нежелательным и опасным явлением, его часто используют и в полезных целях. Так инфразвуковые колебания применяют для исследования океанов, атмосферы, в том числе нахождения мест, где происходят взрывы или извержения вулканов. При помощи них предсказывают цунами и контролируют проведение подземных ядерных взрывов. Для регистрации инфразвуковых волн используют геофоны, гидрофоны или микрофоны.

На сегодняшний день инфразвуковые волны начинают медленно, но успешно использовать в медицинских целях. Главным образом их применяют для удаления опухолей во время лечения рака, лечения болезней роговицы, а также в ряде иных областей. В нашей стране инфразвуковыми колебаниями впервые лечили роговицу в детской клинической больнице. С этой целью был создан и использован инфразвуковой фонофорез.

При помощи этого прибора и создаваемых им инфразвуковых волн к роговице были доставлены лекарственные вещества, которые ускорили выздоровление и привели к рассасыванию помутнений в роговице.

На данный момент разрабатываются различные физиотерапевтические технологии, в которых используются инфразвуковые волны. Однако такое лечение используют только отдельные специалисты и узконаправленно. В лечении рака применяются только отдельные экземпляры приборов, которые работают на инфразвуковых колебаниях. У них большая перспектива, однако, развитие подобных методов останавливает вредное воздействие, которое оказывают инфразвуковые волны на живой организм. Тем не менее, в будущем эти проблемы должны быть решены.

Военное применение

Сегодня американскими, российскими и иными зарубежными специалистами разрабатывается инфразвуковое оружие. Каждая страна желает преуспеть в этом деле, ведь это позволит получить недорогое, но эффективное средство, которое будет способно скрытно оказывать действие на множество людей. В зависимости от используемой частоты на поле боя инфразвук будет приводить противника к паническому состоянию, вызывать сумасшествие, страх, плохое самочувствие и смерть. Обладателю такого оружие будет достаточно направить его в сторону солдат, чтобы те разбежались.

Инфразвуковое оружие уже находит применение против толпы. Подобное оружие было применено в Грузии против протестующих. Люди под воздействием волн ощущали невероятный страх, они хотели спрятаться. Им казалось, что они сходят с ума и даже погибают. Некоторые люди теряли контроль и на некоторое время полностью забывали, кто они и что вокруг происходит. Затем люди приходили в себя, но не понимали, как они оказывались в том или ином месте. После этих событий многие люди имели стойкий страх перед участием в митингах или любых других массовых мероприятиях.

Хотя инфразвуковое оружие и показало свою состоятельность, однако последствия, которые оно может оказать на людей, до сих пор толком не изучено. Проблемой является и то, что инфразвукв городских условиях преломляется и отражается, воздействуя в обратном направлении. Явление резонанса также можно использовать и при осаде строения, где располагаются террористы. Но здесь также достаточно много «белых» пятен.

Подоплека военного применения инфразвука

Тем не менее, у изобретателей есть исторический пример вполне успешного применения инфразвукового оружия. Так в Библии описывается случай, когда евреи разрушили стены Иерихона с помощью звука, которые издавали священные трубы. На этом примере и “немцы” пытались создать свое инфразвуковое оружие для уничтожения самолетов противника. Но это не привело к успеху.

“Немцы” пытались устраивать диверсии против англичан. Они посылали в Великобританию специальные грампластинки, на которых были записаны мелодии. При включении записи пластинки должны были излучать инфразвук. Однако и здесь немецких военных ждала неудача.

Тем не менее, немецкие ученые не останавливали свои изобретательские работы. Ричард Валлаушек продолжил создание устройства, которое могло бы привести к смерти противника. В 1944 году он продемонстрировал установку Schallkanone , которая напоминала параболический отражатель, внутри которого располагался инжектор с зажиганием. В него подавалось горючее вещество и кислород.

При поджигании смеси устройство через определенные промежутки времени выдавало волны требуемой частоты. В результате, люди, которые находились на расстоянии 60 метров от устройства. Падали замертво и погибали. Установка показала эффективность, однако уже был конец войны, ее не удалось полноценно испытать и запустить в серию. Саму же установку после разгрома “немцев” вывезли в Америку, как и многие другие образцы акустического оружия.

Сегодня идеи “немцев” получили свое развитие. Не так давно американская армия продемонстрировала устройство, которое генерирует «акустические пули». Специалисты из России также показали свою установку, которая создает инфразвуковые «акустические пули», которые поражают противника за сотни метров.

ЛЕКЦИЯ 5 УЛЬТРАЗВУК И ИНФРАЗВУК

ЛЕКЦИЯ 5 УЛЬТРАЗВУК И ИНФРАЗВУК

1. Излучатели и приемники ультразвука.

2. Поглощение ультразвука в веществе. Акустические течения и кавитация.

3. Отражение ультразвука. Звуковидение.

4. Биофизическое действие УЗ.

5. Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике.

6. Инфразвук и его источники.

7. Воздействие инфразвука на человека. Использование инфразвука в медицине.

8. Основные понятия и формулы. Таблицы.

9. Задачи.

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20x10 3 Гц (20 кГц) и до 10 9 Гц (1 ГГц). Область частот ультразвука от 1 до 1000 ГГц принято называть гиперзвуком. Ультразвуковые частоты делят на три диапазона:

УНЧ - ультразвук низких частот (20-100 кГц);

УСЧ - ультразвук средних частот (0,1-10 МГц);

УЗВЧ - ультразвук высоких частот (10-1000 МГц).

Каждый диапазон имеет свои особенности медицинского применения.

5.1. Излучатели и приемники ультразвука

Электромеханические излучатели и приемники УЗ используют явление пьезоэлектрического эффекта, сущность которого поясняет рис. 5.1.

Ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами обладают такие кристаллические диэлектрики, как кварц, сегнетова соль и др.

Излучатели ультразвука

Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис. 5.2):

Рис. 5.1. а - прямой пьезоэлектрический эффект: сжатие и растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов соответствующего знака;

б - обратный пьезоэлектрический эффект: в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается

Рис. 5.2. Ультразвуковой излучатель

1 - пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

2 - электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

3 - генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность

Рис. 5.3. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа (частота ультразвука 8 МГц)

потока энергии пропорциональна квадрату частоты (см. формулу 2.6). Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования. Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10 -14 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 .

Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те, которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой. На рисунке 5.3 показана фокусировка ультразвука линзой из плексигласа. Для получения очень больших интенсивностей УЗ используют более сложные методы фокусировки. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титанита бария, на частоте 0,5 МГц удается получать в воде интенсивности ультразвука до 10 5 Вт/см 2 .

Приемники ультразвука

Электромеханические УЗ-приемники (рис. 5.4) используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под действием УЗ-волны возникают колебания кристаллической пластины (1),

Рис. 5.4. Ультразвуковой приемник

в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

5.2. Поглощение ультразвука в веществе. Акустические течения и кавитация

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы (в воздухе ~ 340 м/с, в воде и мягких тканях ~ 1500 м/с). Однако высокая интенсивность и малая длина УЗ-волн порождают ряд специфических особенностей.

При распространении УЗ в веществе происходит необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в основном в теплоту. Это явление называется поглощением звука. Уменьшение амплитуды колебания частиц и интенсивности УЗ вследствие поглощения носит экспоненциальный характер:

где А, А 0 - амплитуды колебаний частиц среды у поверхности вещества и на глубине h; I, I 0 - соответствующие интенсивности УЗ-волны; α - коэффициент поглощения, зависящий от частоты УЗ-волны, температуры и свойств среды.

Коэффициент поглощения - обратная величина того расстояния, на котором амплитуда звуковой волны спадает в «е» раз.

Чем больше коэффициент поглощения, тем сильнее среда поглощает ультразвук.

Коэффициент поглощения (α) растет при увеличении частоты УЗ. Поэтому затухание УЗ в среде во много раз выше, чем затухание слышимого звука.

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения (Н), которая связана с ним обратной зависимостью (Н = 0,347/α).

Глубина полупоглощения (Н) - это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.

Значения коэффициента поглощения и глубины полупоглощения в различных тканях представлены в табл. 5.1.

В газах и, в частности, в воздухе ультразвук распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) являются, как правило, хорошими проводниками ультразвука, и затухание в них значительно меньше. Так, например, в воде затухание УЗ при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твердым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ.

Выделение теплоты и химические реакции

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границам раздела сред, когда коэффициент отражения близок к единице (100 %). Это связано с тем, что в результате отражения интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. В этом можно убедиться экспериментально. Надо приложить к влажной руке излучатель УЗ. Вскоре на противоположной стороне ладони возникает ощущение (похожее на боль от ожога), вызванное УЗ, отраженным от границы «кожа-воздух».

Ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к нагреванию ультразвуком, чем однородные ткани (печень). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие может привести к перегреву.

В некоторых случаях используют сфокусированный ультразвук для локального воздействия на отдельные структуры организма. Такое воздействие позволяет добиться контролируемой гипертермии, т.е. нагрева до 41-44 °С без перегрева соседних тканей.

Повышение температуры и большие перепады давления, которыми сопровождается прохождение ультразвука, могут приводить к образованию ионов и радикалов, способных вступать во взаимодействие с молекулами. При этом могут протекать такие химические реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. Химическое действие УЗ проявляется, в частности, в расщеплении молекулы воды на радикалы Н + и ОН - с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 .

Акустические течения и кавитация

Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом специфических эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением (рис. 5.5, а). На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью в несколько Вт/см 2 может возникнуть фонтанирование жидкости (рис. 5.5, б) и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Эта особенность распространения УЗ используется в ультразвуковых ингаляторах.

К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся

Рис. 5.5. а) акустическое течение, возникающее при распространении ультразвука частоты 5 Мгц в бензоле; б) фонтан жидкости, образующийся при падении ультразвукового пучка изнутри жидкости на её поверхность (частота ультразвука 1,5 МГц, интенсивность 15 Вт/см 2)

субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой УЗ и захлопываются в положительной фазе давления. При схлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Такое интенсивное механическое воздействие на частицы, содержащиеся в жидкости, может приводить к разнообразным эффектам, в том числе и разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука. Механические эффекты особенно значительны при действии фокусированного ультразвука.

Еще одним следствием схлопывания кавитационных пузырьков является сильный разогрев их содержимого (до температуры порядка 10 000 °С), сопровождающийся ионизацией и диссоциацией молекул.

Явление кавитации сопровождается эрозией рабочих поверхностей излучателей, повреждением клеток и т.п. Однако это явление приводит и к ряду полезных эффектов. Так, например, в области кавитации происходит усиленное перемешивание вещества, что используется для приготовления эмульсий.

5.3. Отражение ультразвука. Звуковидение

Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Однако эти явления заметны лишь в том случае, когда размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны. Длина УЗ-волны существенно меньше длины звуковой волны (λ = v/ν). Так, длины звуковой и ультразвуковой волн в мягких тканях на частотах 1 кГц и 1 МГц соответственно равны: λ = 1500/1000 = 1,5 м;

1500/1 000 000 = 1,5х10 -3 м = 1,5 мм. В соответствии со сказанным, тело размером 10 см практически не отражает звук с длиной волны с λ = 1,5 м, но является отражателем для УЗ-волны с λ = 1,5 мм.

Эффективность отражения определяется не только геометрическими соотношениями, но и коэффициентом отражения r, который зависит от отношения волновых сопротивлений сред х (см. формулы 3.8, 3.9):

Для значений х, близких к 0, отражение является практически полным. Это является препятствием для перехода УЗ из воздуха в мягкие ткани (х = 3х10 -4 , r = 99,88%). Если УЗ-излучатель приложить непосредственно к коже человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. В данном случае малые значения х играют отрицательную роль. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение. Напротив, для обнаружения неоднородностей в среде малые значения х являются положительным фактором.

Значения коэффициента отражения на границах различных тканей приведены в табл. 5.2.

Интенсивность принимаемого отраженного сигнала зависит не только от величины коэффициента отражения, но и от степени поглощения ультразвука средой, в которой он распространяется. Поглощение УЗволны приводит к тому, что эхосигнал, отраженный от структуры, расположенной в глубине, значительно слабее того, который образовался при отражении от подобной структуры, расположенной недалеко от поверхности.

На отражении УЗ-волн от неоднородностей основано звуковидение, используемое в медицинских ультразвуковых исследованиях (УЗИ). В этом случае ультразвук, отраженный от неоднородностей (отдельные органы, опухоли), преобразуется в электрические колебания, а последние - в световые, что позволяет видеть на экране те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На рисунке 5.6 дано изображение

Рис. 5.6. Изображение человеческого плода возраста 17 недель, полученное с помощью ультразвука частотой 5 МГц

человеческого плода возраста 17 недель, полученное с помощью ультразвука.

На частотах УЗВЧ-диапазона создан ультразвуковой микроскоп - прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит в том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания объекта. На рисунке 5.7 показаны фотографии красных кровяных телец, полученные оптическим и ультразвуковым микроскопами.

Рис. 5.7. Фотографии красных кровяных телец, полученные оптическим (а) и УЗ (б) микроскопами

При увеличении частоты УЗ-волн увеличивается разрешающая способность (можно обнаруживать более мелкие неоднородности), но уменьшается их проникающая способность, т.е. уменьшается глубина, на которой можно исследовать интересующие структуры. Поэтому частоту УЗ выбирают так, чтобы сочетать достаточное разрешение с необходимой глубиной исследования. Так, для УЗ-исследования щитовидной железы, расположенной непосредственно под кожей, используются волны частоты 7,5 МГц, а для исследования органов брюшной полости используют частоту 3,5-5,5 МГц. Кроме того, учитывают и толщину жирового слоя: для худых детей используется частота 5,5 МГц, а для полных детей и взрослых - частота 3,5 МГц.

5.4. Биофизическое действие УЗ

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физикохимических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде.

Общее воздействие ультразвука на ткани и организм в целом

Биологическое действие ультразвука, т.е. изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/см 2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Ультразвуковые волны малой и средней интенсивности вызывают в живых тканях положительные биологические эффекты, стимулирующие протекание нормальных физиологических процессов.

Успешное применение УЗ указанных интенсивностей находит применение в неврологии при реабилитации таких заболеваний, как хронический радикулит, полиартрит, неврит, невралгия. Ультразвук используется при лечении болезней позвоночника, суставов (разрушение солевых наслоений в суставах и полостях); при лечении различных осложнений после повреждения суставов, связок, сухожилий и т.д.

УЗ большой интенсивности (3-10 Вт/см 2) оказывает вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. Высокая интенсивность ультразвука может привести к возникновению

в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Длительные интенсивные воздействия ультразвуком могут привести к перегреву биологических структур и к их разрушению (денатурация белков и др.). Воздействие интенсивного ультразвука может иметь и отдаленные последствия. Например, при длительных воздействиях УЗ частотой 20-30 кГц, возникающих в некоторых производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной системы, повышается утомляемость, существенно поднимается температура, возникают нарушения органа слуха.

Очень интенсивный УЗ для человека смертелен. Так, в Испании 80 добровольцев были подвергнуты действию УЗ турбулентных двигателей. Результаты этого варварского эксперимента оказались плачевными: 28 человек погибли, остальные оказались полностью или частично парализованы.

Тепловой эффект, производимый УЗ большой интенсивности, может быть весьма значительным: при ультразвуковом облучении мощностью 4 Вт/см 2 в течение 20 с температура тканей организма на глубине 2-5 см повышается на 5-6 °С.

В целях предотвращения профессиональных заболеваний у лиц, работающих на ультразвуковых установках, когда возможен контакт с источниками ультразвуковых колебаний, для защиты рук обязательно необходимо применение 2 пар перчаток: наружных резиновых и внутренних - хлопчатобумажных.

Действие ультразвука на клеточном уровне

В основе биологического действия УЗ могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Изменение потока различных веществ через цитоплазматическую мембрану приводит к изменению состава внутриклеточной среды и микроокружения клетки. Это влияет на скорость биохимических реакций с участием ферментов, чувствительных к содержанию в среде тех или

иных ионов. В некоторых случаях изменение состава среды внутри клетки может привести к ускорению ферментативных реакций, что наблюдается при воздействии на клетки ультразвуком низких интенсивностей.

Многие внутриклеточные ферменты активируются ионами калия. Поэтому при повышении интенсивности ультразвука более вероятным становится эффект подавления ферментативных реакций в клетке, так как в результате деполяризации клеточных мембран концентрация ионов калия во внутриклеточной среде уменьшается.

Действие ультразвука на клетки может сопровождается следующими явлениями:

Нарушением микроокружения клеточных мембран в виде изменения градиентов концентрации различных веществ около мембран, изменением вязкости среды внутри и вне клетки;

Изменением проницаемости клеточных мембран в виде ускорения обычной и облегченной диффузии, изменением эффективности активного транспорта, нарушением структуры мембран;

Нарушением состава внутриклеточной среды в виде изменения концентрации различных веществ в клетке, изменением вязкости;

Изменением скоростей ферментативных реакций в клетке вследствие изменения оптимальных концентраций веществ, необходимых для функционирования ферментов.

Изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на УЗ-воздействие, независимо от того, какой из факторов УЗ, действующих на клетку, доминирует в том или ином случае.

При достаточно большой интенсивности УЗ происходит разрушение мембран. Однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются при интенсивности 0,1 Вт/см 2 , другие - при 25 Вт/см 2 .

В определенном интервале интенсивностей наблюдаемые биологические эффекты ультразвука обратимы. Верхняя граница этого интервала 0,1 Вт/см 2 при частоте 0,8-2 МГц принята в качестве порога. Превышение этой границы приводит к выраженным деструктивным изменениям в клетках.

Разрушение микроорганизмов

Облучение ультразвуком с интенсивностью, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов.

5.5. Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике

Деформации под воздействием УЗ используются при измельчении или диспергировании сред.

Явление кавитации используется для получения эмульсий несмешивающихся жидкостей, для очистки металлов от окалины и жировых пленок.

УЗ-терапия

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.

ФОНОФОРЕЗ - введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, в отличие от электрического поля, УЗ-поле перемещает не только ионы, но и незаряженные частицы. Под действием УЗ увеличивается проницаемость клеточных мембран, что способствует проникновению лекарственных веществ в клетку, тогда как при электрофорезе лекарственные вещества концентрируются в основном между клетками.

АУТОГЕМОТЕРАПИЯ - внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура оказывается более эффективной, если взятую кровь перед вливанием облучить УЗ.

УЗ-облучение повышает чувствительность клетки к воздействию химических веществ. Это позволяет создавать менее вредные

вакцины, так как при их изготовлении можно использовать химические реактивы меньшей концентрации.

Предварительное воздействие УЗ усиливает действие γ- и СВЧоблучения на опухоли.

В фармацевтической промышленности ультразвук применяется для получения эмульсий и аэрозолей некоторых лекарственных веществ.

В физиотерапии УЗ используется для локального воздействия, осуществляемого с помощью соответствующего излучателя, контактно наложенного через мазевую основу на определенную область тела.

УЗ-хирургия

УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая - с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.

Разрушение опухолей. Несколько излучателей, укрепленных на теле пациента, испускают пучки УЗ, фокусирующиеся на опухоли. Интенсивность каждого пучка недостаточна для повреждения здоровой ткани, но в том месте, где пучки сходятся, интенсивность возрастает и опухоль разрушается под действием кавитации и тепла.

В урологии с помощью механического действия УЗ дробят камни в мочевых путях и этим спасают больных от операций.

Сваривание мягких тканей. Если сложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения образуется сварной шов.

Сваривание костей (ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), который под действием УЗ быстро полимеризуется. После облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.

Наложение УЗ-колебаний на хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает кровоостанавливающее и стерилизующее действия. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20-50 кГц составляет 10-50 мкм. УЗ-скальпели позволяют проводить операции в дыхательных органах без вскрытия грудной клетки,

операции в пищеводе и на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ-скальпель в вену, можно разрушить холестериновые утолщения в сосуде.

Стерилизация. Губительное действие УЗ на микроорганизмы используется для стерилизации хирургических инструментов.

В ряде случаев ультразвук используют в сочетании с другими физическими воздействиями, например с криогенным, при хирургическом лечении гемангиом и рубцов.

УЗ-диагностика

Ультразвуковая диагностика - совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука. Физической основой УЗ-диагностики является зависимость параметров распространения звука в биологических тканях (скорость звука, коэффициент затухания, волновое сопротивление) от вида ткани и ее состояния. УЗ-методы позволяют осуществить визуализацию внутренних структур организма, а также исследовать движение биологических объектов внутри организма. Основная особенность УЗ-диагностики - возможность получить информацию о мягких тканях, незначительно различающихся по плотности или упругости. УЗ-метод исследования обладает высокой чувствительностью, может использоваться для обнаружения образований, не выявляемых с помощью рентгена, не требует применения контрастных веществ, безболезнен и не имеет противопоказаний.

Для диагностических целей используется УЗ частотой от 0,8 до 15 МГц. Низкие частоты применяются при исследовании глубоко расположенных объектов или при исследовании, проводимом через костную ткань, высокие - для визуализации объектов, близко расположенных к поверхности тела, для диагностики в офтальмологии, при исследовании поверхностно расположенных сосудов.

Наибольшее распространение в УЗ-диагностике получили эхолокационные методы, основанные на отражении или рассеянии импульсных УЗ-сигналов. В зависимости от способа получения и характера представления информации приборы для УЗ-диагностики разделяют на 3 группы: одномерные приборы с индикацией типа А; одномерные приборы с индикацией типа M; двумерные приборы с индикацией типа В.

При УЗ-диагностике с помощью прибора типа А излучатель, испускающий короткие (длительностью порядка 10 -6 с) УЗ-импульсы, прикладывается к исследуемому участку тела через контактное вещество. В паузах между импульсами прибор принимает импульсы, отраженные от различных неоднородностей в тканях. После усиления эти импульсы наблюдаются на экране электроннолучевой трубки в виде отклонений луча от горизонтальной линии. Полная картина отраженных импульсов называется одномерной эхограммой типа А. На рисунке 5.8 показана эхограмма, полученная при эхоскопии глаза.

Рис. 5.8. Эхоскопия глаза по А-методу:

1 - эхосигнал от передней поверхности роговицы; 2, 3 - эхосигналы от передней и задней поверхностей хрусталика; 4 - эхосигнал от сетчатки и структур заднего полюса глазного яблока

Эхограммы тканей различного типа отличаются друг от друга количеством импульсов и их амплитудой. Анализ эхограммы типа А во многих случаях позволяет получить дополнительные сведения о состоянии, глубине залегания и протяженности патологического участка.

Одномерные приборы с индикацией типа А применяются в неврологии, нейрохирургии, онкологии, акушерстве, офтальмологии и др. областях медицины.

В приборах с индикацией типа M отраженные импульсы после усиления подаются на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки и представляются в виде черточек, яркость которых связана с амплитудой импульса, а ширина - с его длительностью. Развертка этих черточек во времени дает картину отдельных отражающих структур. Этот тип индикации широко используется в кардиографии. УЗ-кардиограмма может быть зафиксирована при помощи электронно-лучевой трубки с памятью или на бумажной ленте самописца. Этим методом осуществляется запись движений элементов сердца, что позволяет определять стеноз митрального клапана, врожденные пороки сердца и др.

При использовании методов регистрации типов А и M преобразователь находится в фиксированном положении на теле пациента.

В случае индикации типа В преобразователь перемещается (осуществляет сканирование) вдоль поверхности тела, и на экране электронно-лучевой трубки фиксируется двумерная эхограмма, воспроизводящая поперечное сечение исследуемой области тела.

Разновидностью метода В является мультисканирование, при котором механическое перемещение датчика заменяется последовательным электрическим переключением ряда элементов, расположенных на одной линии. Мультисканирование позволяет наблюдать исследуемые сечения практически в реальном масштабе времени. Другой разновидностью метода В является секторное сканирование, при котором отсутствует движение эхозонда, а изменяется угол введения УЗ-луча.

УЗ-приборы с индикацией типа В используются в онкологии, акушерстве и гинекологии, урологии, отоларингологии, офтальмологии и др. Модификации приборов типа В с мультисканированием и секторным сканированием используют в кардиологии.

Все эхолокационные методы УЗ-диагностики позволяют так или иначе регистрировать внутри организма границы областей с различными волновыми сопротивлениями.

Новый метод УЗ-диагностики - реконструктивная (или вычислительная) томография - дает пространственное распределение параметров распространения звука: коэффициента затухания (аттенюационная модификация метода) или скорости звука (рефракционная модификация). В этом методе исследуемое сечение объекта прозвучивается многократно в различных направлениях. Информация о координатах прозвучивания и об ответных сигналах обрабатывается на ЭВМ, в результате чего на дисплее отображается реконструированная томограмма.

В последнее время начал внедряться метод эластометрии для исследования тканей печени как в норме, так и при различных стадиях микроза. Суть метода такова. Датчик устанавливается перпендикулярно поверхности тела. При помощи вибратора, встроенного в датчик, создается низкочастотная звуковая механическая волна (ν = 50 Гц, А = 1 мм), скорость распространения которой по подлежащим тканям печени оценивается при помощи ультразвука с частотой ν = 3,5 МГц (по сути, осуществляется эхолокация). С использованием

модуль Е (эластичность) ткани. Для пациента проводится серия измерений (не менее 10) в межреберных промежутках в проекции положения печени. Анализ всех данных происходит автоматически, аппарат выдает количественную оценку эластичности (плотности), которая представляется как в числовом, так и в цветовом виде.

Для получения информации о движущихся структурах организма используются методы и приборы, работа которых основана на эффекте Доплера. Такие приборы содержат, как правило, два пьезоэлемента: излучатель УЗ, работающий в непрерывном режиме, и приемник отраженных сигналов. Измеряя доплеровский сдвиг частоты УЗ-волны, отраженной от подвижного объекта (например, от стенки сосуда), определяют скорость движения отражающего объекта (см. формулу 2.9). В наиболее совершенных приборах этого типа применяется импульсно-доплеровский (когерентный) способ локации, позволяющий выделить сигнал из определенной точки пространства.

Приборы с использованием эффекта Доплера применяются для диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы (определение

движения участков сердца и стенок сосудов), в акушерстве (исследование сердцебиения плода), для исследования кровотока и др.

Осуществляется исследование органов через пищевод, с которым они граничат.

Сопоставление ультразвукового и рентгеновского «просвечиваний»

В некоторых случаях ультразвуковое просвечивание имеет преимущество перед рентгеновским. Это связано с тем, что рентгеновские лучи дают четкое изображение «твердых» тканей на фоне «мягких». Так, например, на фоне мягких тканей хорошо видны кости. Для получения рентгеновского изображения мягких тканей на фоне других мягких тканей (например, кровеносный сосуд на фоне мышц) сосуд нужно заполнить веществом, хорошо поглощающим рентгеновское излучение (контрастное вещество). Ультразвуковое просвечивание, благодаря уже указанным особенностям, дает в этом случае изображение без применения контрастных веществ.

При рентгеновском обследовании дифференцируется разность плотностей до 10 %, при ультразвуковом - до 1 %.

5.6. Инфразвук и его источники

Инфразвук - упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 16-20 Гц. Такое определение условно, поскольку при достаточной интенсивности слуховое восприятие возникает и на частотах в единицы Гц, хотя при этом исчезает тональный характер ощущения и делаются различимыми лишь отдельные циклы колебаний. Нижняя частотная граница инфразвука неопределенна; в настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц.

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной средах, а также в земной коре (сейсмические волны). Основная особенность инфразвука, обусловленная его низкой частотой, - малое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько децибел. Известно, что звуки

извержений вулканов и атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара. Из-за большой длины волны мало и рассеяние инфразвука. В естественных средах заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты - холмы, горы, высокие здания.

Естественными источниками инфразвука являются метеорологические, сейсмические и вулканические явления. Инфразвук генерируется атмосферными и океаническими турбулентными флуктуациями давления, ветром, морскими волнами (в том числе и приливными), водопадами, землетрясениями, обвалами.

Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолетов, удары копров, работа реактивных двигателей и др. Инфразвук содержится в шуме двигателей и технологического оборудования. Вибрации зданий, создаваемые производственными и бытовыми возбудителями, как правило, содержат инфразвуковые компоненты. Существенный вклад в инфразвуковое загрязнение среды дают транспортные шумы. Например, легковые автомобили на скорости 100 км/ч создают инфразвук с уровнем интенсивности до 100 дБ. В моторном отделении крупных судов зарегистрированы инфразвуковые колебания, создаваемые работающими двигателями, с частотой 7-13 Гц и уровнем интенсивности 115 дБ. На верхних этажах высотных зданий, особенно при сильном ветре, уровень интенсивности инфразвука достигает

Инфразвук почти невозможно изолировать - на низких частотах все звукопоглощающие материалы практически полностью теряют свою эффективность.

5.7. Воздействие инфразвука на человека. Использование инфразвука в медицине

На человека инфразвук оказывает, как правило, отрицательное действие: вызывает угнетенное настроение, усталость, головную боль, раздражение. У человека, подвергнутого воздействию инфразвука низкой интенсивности, появляются симптомы «морской болезни», тошнота, головокружение. Появляется головная боль, повышается утомляемость, слабеет слух. При частоте 2-5 Гц

и уровне интенсивности 100-125 дБ субъективная реакция сводится к ощущению давления в ухе, затруднению при глотании, вынужденной модуляции голоса и затруднению речи. Воздействие инфразвука негативно сказывается на зрении: ухудшаются зрительные функции, снижается острота зрения, сужается поле зрения, ослабляется аккомодационная способность, нарушается устойчивость фиксации глазом наблюдаемого объекта.

Шум на частоте 2-15 Гц при уровне интенсивности 100 дБ приводит к возрастанию ошибки слежения за стрелочными индикаторами. Проявляется судорожное подергивание глазного яблока, нарушение функции органов равновесия.

Летчики и космонавты, подвергнутые на тренировках воздействию инфразвука, медленнее решали даже простые арифметические задачи.

Существует предположение, что различные аномалии в состоянии людей при плохой погоде, объясняемые климатическими условиями, являются на самом деле следствием воздействия инфразвуковых волн.

При средней интенсивности (140-155 дБ) могут наступать обмороки, временная потеря зрения. При больших интенсивностях (порядка 180 дБ) может наступить паралич со смертельным исходом.

Предполагают, что негативное влияние инфразвука связано с тем, что в инфразвуковой области лежат частоты собственных колебаний некоторых органов и частей тела человека. Это вызывает нежелательные резонансные явления. Укажем некоторые частоты собственных колебаний для человека:

Тело человека в положении лежа - (3-4) Гц;

Грудная клетка - (5-8) Гц;

Брюшная полость - (3-4) Гц;

Глаза - (12-27) Гц.

Особенно вредно воздействие инфразвука на сердце. При достаточной мощности возникают вынужденные колебания сердечной мышцы. При резонансе (6-7 Гц) их амплитуда возрастает, что может привести к кровоизлиянию.

Использование инфразвука в медицине

В последние годы инфразвук стали широко применять в медицинской практике. Так, в офтальмологии инфразвуковые волны

с частотами до 12 Гц используются при лечении близорукости. При лечении заболеваний век используется инфразвук для фонофореза (рис. 5.9), а также для очищения раневых поверхностей, для улучшения гемодинамики и регенерации в веках, массажа (рис. 5.10) и т.д.

На рисунке 5.9 показано применение инфразвука для лечения аномалии развития слезоотводящих путей у новорожденных.

На одном из этапов лечения осуществляется массаж слезного мешка. При этом генератор инфразвука создает избыточное давление в слезном мешке, которое способствует разрыву эмбриональной ткани в слезоносовом канале.

Рис. 5.9. Схема инфразвукового фонофореза

Рис. 5.10. Массаж слезного мешка

5.8. Основные понятия и формулы. Таблицы

Таблица 5.1. Коэффициент поглощения и глубина полупоглощения на частоте 1 МГц

Таблица 5.2. Коэффициент отражения на границах различных тканей

5.9. Задачи

1. Отражение волн от мелких неоднородностей становится заметным, когда их размеры превосходят длину волны. Оценить минимальный размер d почечного камня, который может быть обнаружен методом УЗ-диагностики при частоте ν = 5 МГц. Скорость УЗ-волн v = 1500 м/с.

Решение

Найдем длину волны: λ = v/ν = 1500/(5*10 6) = 0,0003 м = 0,3 мм. d > λ.

Ответ: d > 0,3 мм.

2. В некоторых физиотерапевтических процедурах используется ультразвук частоты ν = 800 кГц и интенсивности I = 1 Вт/см 2 . Найти амплитуду колебания молекул мягких тканей.

Решение

Интенсивность механических волн определяется формулой (2.6)

Плотность мягких тканей ρ « 1000 кг/м 3 .

круговая частота ω = 2πν ≈ 2х3,14х800х10 3 ≈ 5х10 6 с -1 ;

скорость ультразвука в мягких тканях ν ≈ 1500 м/с.

Необходим перевод интенсивности в СИ: I = 1 Вт/см 2 = 10 4 Вт/м 2 .

Подставив численные значения в последнюю формулу, найдем:

Столь малое смещение молекул при прохождении ультразвука указывает на то, что его действие проявляется на клеточном уровне. Ответ: А = 0,023 мкм.

3. Стальные детали проверяют на качество ультразвуковым дефектоскопом. На какой глубине h в детали обнаружена трещина и какова толщина d детали, если после излучения ультразвукового сигнала были получены два отраженных сигнала через 0,1 мс и 0,2 мс? Скорость распространения ультразвуковой волны в стали равна v = 5200 м/с.

Решение

2h = tv →h = tv/2. Ответ: h = 26 см; d = 52 см.

Сейчас акустика, как область физики рассматривает более широкий спектр упругих колебаний - от самых низких до предельно высоких, вплоть до 1012 - 1013 Гц. Не слышимые человеком звуковые волны с частотами ниже 16 Гц называют инфразвуком, звуковые волны с частотами от 20 000 Гц до 109Гц - ультразвуком, а колебания с частотами выше чем 109Гц называют гиперзвуком.

Этим неслышимым звукам нашли много применения.

Ультразвуки и инфразвуки имеют очень важную роль и в живом мире. Так, например, рыбы и другие морские животные чутко улавливают инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями. Таким образом, они заранее чувствуют приближение шторма или циклона, и уплывают в более безопасное место. Инфразвук - это составляющая звуков леса, моря, атмосферы.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полете, они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).

ИНФРАЗВУК (от лат. infra - ниже, под), не слышимые человеческим ухом упругие волны низкой частоты (менее 16 Гц). При больших амплитудах инфразвук ощущается как боль в ухе. Возникает при землетрясениях, подводных и подземных взрывах, во время бурь и ураганов, от волн цунами и пр. Поскольку инфразвук слабо поглощается, он распространяется на большие расстояния и может служить предвестником бурь, ураганов, цунами.

В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разнообразных источников, в том числе от взрывов обвалов и транспортных возбудителей.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень далёкие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении места сильных взрывов или положения стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказания стихийного бедствия - цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, применяются для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды.

Инфразвук человек не слышит, однако ощущает; он оказывает разрушительное действие на организм человека. Высокий уровень инфразвука вызывает нарушение функции вестибулярного аппарата, предопределяя головокружение, головную боль. Снижается внимание, работоспособность. Возникает чувство страха, общее недомогание. Существует мнение, что инфразвук сильно влияет на психику людей. Все механизмы, которые работают при частотах вращения меньше 20 об/с, излучают инфразвук. При движении автомобиля со скоростью более 100 км/час он является источником инфразвуки, который возникает за счет срыва воздушного потока с его поверхности. В машиностроительной отрасли инфразвук возникает при работе вентиляторов, компрессоров двигателей внутреннего сгорания, дизельных двигателей. Согласно действующим нормативным документам уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, Гц должен быть не больше 105 дБ., а для полос с частотой 32 Гц не более 102 дБ. Благодаря большой длине инфразвук распространяется в атмосфере на большие расстояния. Практически невозможно остановить инфразвук при помощи строительных конструкций на пути его распространения. Неэффективны также средства индивидуальной зашиты. Действенным средством защиты является снижение уровня инфразвука в источнике его образования. Среди таких мероприятий можно выделить следующие:- увеличение частот вращения валов до 20 и больше оборотов в секунду;- повышение жесткости колеблющихся конструкций больших размеров; - устранение низкочастотных вибраций: - внесение конструктивных изменений в строение источников, что позволяет перейти т области инфразвуковых колебаний в область звуковых; в этом случае их снижение может быть достигнуто применением звукоизоляции и звукопоглощения.

Основные источники инфразвуковых волн

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию интенсивности уровня инфразвука.

Основные техногенные источники инфразвуковых колебаний в городах приведены в таблице.

Источник инфразвука Характерный частотный

диапазон инфразвука Уровни инфразвука

Автомобильный транспорт Весь спектр инфразвукового диапазона Снаружи 70-90 дБ, внутри до 120 дБ

Железнодорожный транспорт и трамваи 10-16 Гц Внутри и снаружи от 85 до 120 дБ

Промышленные установки аэродинамического и ударного действия 8-12 Гц До 90-105 дБ

Вентиляция промышленных установок и помещений, то же в метрополитене 3-20 Гц До 75-95 дБ

Реактивные самолеты Около 20 Гц Снаружи до 130 дБ

Ультразвук - упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно

Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако, некоторые животные, например, летучие мыши, могут воспринимать и издавать ультразвук. Частично воспринимают ультразвук грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Ультразвуковые колебания возникают при работе моторов автомобилей, станков и ракетных двигателей. В практике для получения ультразвука обычно применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на способности некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного (магнитострикционные генераторы) или электрического поля (пьезоэлектрические генераторы), издавая при этом звуки высокой частоты. Из-за большой частоты (малой длины волны) ультразвук обладает особыми свойствами.

Он сильно поглощается газами и слабо жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мельчайших пузырьков с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют протекание процессов диффузии (взаимопроникновения двух сред друг в друга),. существенно влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций. Эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое техническое и медицинское использование.

Впервые идея практического использования ультразвука возникла, как известно, в первой половине прошедшего века в связи с разработкой методов и приборов для обнаружения в глубине моря различных объектов: подводных лодок, рифов, подводных частей айсбергов и т.д. Это было вызвано прежде всего гибелью в 1912 г. "Титаника" и начавшимся участием подводных лодок в военных операциях во время первой мировой войны.

Низкочастотные ультразвуковые колебания хорошо распространяются в воздухе. Биологический эффект воздействия их на организм зависит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемой действию ультразвука. Длительное систематическое влияние ультразвука, распространяющегося в воздухе, вызывает функциональные нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. У работающих на ультразвуковых установках отмечают выраженную астению, сосудистую гипотонию, снижение электрической активности сердца и мозга. Изменения ЦНС в начальной фазе проявляются нарушением рефлекторных функций мозга (чувство страха в темноте, в ограниченном пространстве, резкие приступы с учащением пульса, чрезмерной потливостью, спазмы в желудке, кишечнике, желчном пузыре). Наиболее характерны вегетососудистая дистония с жалобами на резкое утомление, головные боли и чувство давления в голове, затруднения при концентрации внимания, торможение мыслительного процесса, на бессонницу.

Контактное воздействие высокочастотного ультразвука на руки приводит к нарушению капиллярного кровообращения в кистях рук, снижению болевой чувствительности, т. е. развиваются периферические неврологические нарушения. Установлено, что ультразвуковые колебания могут вызывать изменения костной структуры с разрежением плотности костной ткани.

Производственная вибрация.

Основные понятия и определения. Действие вибрации на организм человека. Принципы нормирования вибрации на производстве

2.1 Область применения и общие положения вибрация

Измерение и гигиеническая оценка вибрации, а также профилактические мероприятия должны проводиться в соответствии с руководством 2.2.4/2.1.8-96 "Гигиеническая оценка физических факторов производственной и окружающей среды" (в стадии утверждения).

С утверждением настоящих санитарных норм утрачивают силу "Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих" № 3041-84, "Санитарные нормы вибрации рабочих мест" № 3044-84, "Санитарные нормы допустимых вибраций в жилых домах" № 1304-75.

2.2 Термины и определения

Предельно допустимый уровень (ПДУ) вибрации - это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Соблюдение ПДУ вибрации не исключает нарушение здоровья у сверхчувствительных лиц.

Допустимый уровень вибрации в жилых и общественных зданиях - это уровень фактора, который не вызывает у человека значительного беспокойства и существенных изменений показателей функционального состояния систем и анализаторов, чувствительных к вибрационному воздействию.

Корректированный уровень вибрации - одночисловая характеристика вибрации, определяемая как результат энергетического суммирования уровней вибрации в октавных полосах частот с учетом октавных поправок.

Эквивалентный (по энергии) корректированный уровень изменяющейся во времени вибрации - это корректированный уровень постоянной во времени вибрации, которая имеет такое же среднеквадратичное корректированное значение виброускорения и/или виброскорости, что и данная непостоянная вибрация в течение определенного интервала времени.

2.3 Классификация вибраций, воздействующих на человека

По способу передачи на человека различают:

Общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;

Локальную вибрацию, передающуюся через руки человека.

Примечание. Вибрация, передающаяся на ноги сидящего человека и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, относится к локальной вибрации.

По источнику возникновения вибраций различают:

Локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного механизированного инструмента (с двигателями), органов ручного управления машинами и оборудованием;

Локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного немеханизированного инструмента (без двигателей), например, рихтовочных молотков разных моделей и обрабатываемых деталей;

Общую вибрацию 1 категории - транспортную вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах самоходных и прицепных машин, транспортных средств при движении по местности, агрофонам и дорогам (в том числе при их строительстве). К источникам транспортной вибрации относят: тракторы сельскохозяйственные и промышленные, самоходные сельскохозяйственные машины (в том числе комбайны); автомобили грузовые (в том числе тягачи, скреперы, грейдеры, катки и т.д.); снегоочистители, самоходный горно-шахтный рельсовый транспорт;

Общую вибрацию 2 категории - транспортно-технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок. К источникам транспортно-технологической вибрации относят: экскаваторы (в том числе роторные), краны промышленные и строительные, машины для загрузки (завалочные) мартеновских печей в металлургическом производстве; горные комбайны, шахтные погрузочные машины, самоходные бурильные каретки; путевые машины, бетоноукладчики, напольный производственный транспорт;

Общую вибрацию 3 категории - технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации. К источникам технологической вибрации относят: станки металло- и деревообрабатывающие, кузнечно-прессовое оборудование, литейные машины, электрические машины, стационарные электрические установки, насосные агрегаты и вентиляторы, оборудование для бурения скважин, буровые станки, машины для животноводства, очистки и сортировки зерна (в том числе сушилки), оборудование промышленности стройматериалов (кроме бетоноукладчиков), установки химической и нефтехимической промышленности и др.

а) на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;

б) на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию;

в) на рабочих местах в помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, здравпунктов, конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда;

Общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внешних источников: городского рельсового транспорта (мелкого залегания и открытые линии метрополитена, трамвай, железнодорожный транспорт) и автотранспорта; промышленных предприятий и передвижных промышленных установок (при эксплуатации гидравлических и механических прессов, строгальных, вырубных и других металлообрабатывающих механизмов, поршневых компрессоров, бетономешалок, дробилок, строительных машин и др.);

Общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внутренних источников: инженерно-технического оборудования зданий и бытовых приборов (лифты, вентиляционные системы, насосные, пылесосы, холодильники, стиральные машины и т.п.), а также встроенных предприятий торговли (холодильное оборудование), предприятий коммунально-бытового обслуживания, котельных и т.д.

По характеру спектра вибрации выделяют:

Узкополосные вибрации, у которых контролируемые параметры в одной 1/3 октавной полосе частот более чем на 15 дБ превышают значения в соседних 1/3 октавных полосах;

Широкополосные вибрации - с непрерывным спектром шириной более одной октавы.

По частотному составу вибрации выделяют:

Низкочастотные вибрации (с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах частот 1-4 Гц для общих вибраций, 8-16 Гц - для локальных вибраций);

Среднечастотные вибрации (8-16 Гц - для общих вибраций, 31,5-63 Гц - для локальных вибраций);

Высокочастотные вибрации (31,5-63 Гц - для общих вибраций, 125-1000 Гц - для локальных вибраций).

По временным характеристикам вибрации выделяют:

Постоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения;

Непостоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10 мин при измерении с постоянной времени 1 с, в том числе:

а) колеблющиеся во времени вибрации, для которых величина нормируемых параметров непрерывно изменяется во времени;

б) прерывистые вибрации, когда контакт человека с вибрацией прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых имеет место контакт, составляет более 1 с;

в) импульсные вибрации, состоящие из одного или нескольких вибрационных воздействий (например, ударов), каждый длительностью менее 1 с.

2.4 Предельно допустимые величины нормируемых параметров

Предельно допустимые величины нормируемых параметров производственной локальной вибрации при длительности вибрационного воздействия 480 мин (8 ч) приведены в табл. 1.

Таблица 1

*Предельно допустимые значения по осям

Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц виброускорения виброскорости

м/с дБ м/c 10 дБ

8 1,4 123 2,8 115

16 1,4 123 1,4 109

31,5 2,8 129 1,4 109

63 5,6 135 1,4 109

125 11,0 141 1,4 109

250 22,0 147 1,4 109

500 45,0 153 1,4 109

1000 89,0 159 1,4 109

Корректированные и эквивалентные корректированные значения и их уровни 2,0 126 2,0 112

* Работа в условиях воздействия вибрации с уровнями, превышающими настоящие санитарные нормы более чем на 12 дБ (в 4 раза) по интегральной оценке или в какой-либо октавной полосе, не допускается.

Электробезопасность.

Действие тока на организм человека. Электротравмы и их классификация .

Виды поражения электрическим током.

Проходя через живой организм эл. ток производит действие:

1. Термическое--в ожогах определённых участков, нагреве кровеносных сосудов, крови, нервов.

2. Электролитическое--разложение крови и других органических жидкостей.

3. Биологическое--раздражение и возбуждение живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращением мышц, в том числе мышц сердца и лёгких.

В результате всего этого могут возникнуть различные нарушения в организме плоть до полной остановки работы сердца и лёгких.

Всё это приводит к двум поражениям: электрическим травмам и электрическим ударам.

Электрическая травма--это чётко выраженное местное повреждение тканей организма, вызванное воздействием эл. тока или дуги. Обычно это поражение кожи, связок и костей. В большинстве случаев эл. травмы излечиваются полностью или частично. В отдельных случаях может наступить смерть.

Различают следующие эл. травмы: эл. ожог, эл. знаки, металлизация кожи и механические повреждения.

Эл. ожог--самая распространённая эл. травма.

Ожоги бывают двух видов: токовый и дуговой.

Токовый ожог--возникает при прохождении тока через тело при этом наблюдаются ожоги.

Дуговой ожог--является результатом воздействия на тело эл. дуги, здесь наблюдается высокая температура -- до 3500.

Эл. знаки--метки на теле серого цвета--при прохождении эл. тока.

Металлизация кожи--проникновение в кожу мелких частичек металла, расплавленных эл. дугой.

Эл. удар--это возбуждение живых тканей при прохождении эл. тока. Их бывает четыре по мере тяжести:

Клиническая (мнимая) смерть--переходный период от жизни к смерти, наступающий с момента прекращения работы сердца и лёгких. У человека находящегося в состоянии клинической смерти отсутствуют все признаки жизни. Однако, организм ещё не погиб, продолжаются обменные процессы.

Причина смерти от эл. тока--прекращение работы сердца, лёгких, эл. шок.

Фибриляция--это хаотические быстрые сердечные сокращения.

В зависимости от возникающих последствий электроудары делят на четыре степени:

I - судорожное сокращение мышц без потери сознания;

II - судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимися дыханием и работой сердца;

III - потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого);

IV - состояние клинической смерти.

Основные факторы влияющие на исход поражения током.

Величина тока, проходящего через человека является основным фактором, обуславливающим исход поражения. Человек начинает ощущать прохождение переменного тока промышленной частоты (50 гц) величины 0.6-1.5 мА, а пост тока -- 5-7мА это так называемые пороги ощущения токов. Большие токи вызывают у человека судороги.

При 10-15 мА боль становится едва переносимой, а судороги такие что человек не может их преодолеть.

На исход поражения сильно влияет сопротивление тела человека. Наибольшим сопротивлением (3...20 кОм) обладает верхний слой кожи (0,2 мм), состоящий из мертвых ороговевших клеток, тогда как сопротивление спинномозговой жидкости 0,5...0,6 Ом. Общее сопротивление тела за счет сопротивления верхнего слоя кожи достаточно велико, но как только этот слой повреждается - его значение резко снижается.

При расчетах, связанных с электробезопасностью, сопротивление тела человека принимают равным 1 кОм.

Длительность прохождения тока через тело человека оказывает влияние на исход поражения: чем продолжительнее действие тока, тем больше вероятность тяжелого смертельного поражения.

Путь тока в теле пострадавшего играет существенную роль в исходе поражения. Так если на пути тока жизненно важные органы--сердце, лёгкие, головной мозг, то опасность поражения весьма велика.

Род тока и частота постоянный ток менее опасен чем переменный примерно в четыре раза однако это справедливо до 250-300 в. Увеличение частоты ведет к увеличению опасности.

Наиболее опасно прохождение тока через сердце, легкие и головной мозг.

Степень поражения зависит также от рода и частоты тока. Наиболее опасен переменный ток частотой 20... 1000 Гц. Переменный ток опаснее постоянного при напряжениях до 300 В. При больших напряжениях - постоянный ток.

Электробезопасность.