Инфразвук (ИЗ) и его воздействие на человека.

Инфразвук – это механические колебания и волны с частотой менее 16 Гц. Эти волны не создают слуховых ощущений.

Из-за большой длины волны инфразвуковые волны хорошо дифрагируют и огибают препятствия больших размеров. ИЗ могут распространяться на большие расстояния.

Природные источники ИЗ – землетрясения, штормы, цунами

(L = 120 дБ, ν ≈11 Гц)

Искусственные источники – взрывы, работающие машины, станки.

На человека инфразвук оказывает, как правило, отрицательное воздействие: вызывает угнетающее настроение, усталость, раздражение. Предполагают, что негативное влияние инфразвука связано с тем, что в инфразвуковой области лежат частоты собственных колебаний некоторых органов и частей тела. Это вызывает нежелательные резонансные явления.

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. Так как инфразвук оказывает неблагоприятное действие на организм, то одной из задач является снижение уровня его интенсивности в жилых и производственных помещениях, в транспортных средствах.

Вибрации.

Вибрации – механические колебания технических конструкций и машин. Они являются источниками инфразвуков, слышимых звуков и ультразвуков.

Основные физические характеристики вибраций совпадают с характеристиками механических колебаний тел. Это: частота, гармонический спектр, амплитуда, скорость, ускорение, энергия и др..

В медицине нашли применение различного вида вибромассажеры.

Задачи для самостоятельного решения.

1. По условиям некоторого производства определен допустимый предел уровня шума Е = 70 фон. Определите максимально допустимую интенсивность звука. Условно считать, что шум соответствует звуку частотой ν = 1 кГц.

2. Известно, что человеческое ухо воспринимает упругие волны в интервале частот от ν₁= 20 Гц до ν ₂ = 20 кГц. Каким Длинам волн соответствует этот интервал в воздухе? В воде? Скорости звука в воздухе и воде равны соответственно v₁= 340м/с и v₂ = 1400 м/с.

3. Определите среднюю силу, действующую на барабанную перепонку человека (площадь S = 66 мм²) для двух случаев: а) порог слышимости;

б) порог болевого ощущения. Частота ν = 1кГц.

4. На сколько увеличилась громкость звука, если интенсивность звука увеличилась от порога слышимости в 1000 раз. Задачу решите для звука частотой: а) 100 Гц; б) 1 кГц. Для решения воспользоваться кривыми равной громкости.

5. Нормальный разговор человека оценивается уровнем громкости звука Е₁ = 50 фон (для частоты ν = 1 кГц). Определите уровень громкости звука, соответствующего трем одновременно говорящим людям.

6. Уровень интенсивности сердечных тонов, воспринимаемых с помощью стетоскопа, равен 10 дБ. Чему равна интенсивность тонов сердца?

7. Шуму на оживленной улице соответствует уровень громкости звука Е₁= 70 фон, крику Е₂ = 80 фон. Какой будет уровень громкости звука, полученного в результате сложения крика и шума улицы? Считать частоту равной ν = 1 кГц.

8. Источник ультразвука создает в воздухе волну длиной 4,4 мкм. Как изменится длина волны при переходе ультразвука в воду, если принять скорость распространения ультразвука в воде равной 1500 м/с, а в воздухе 330 м/с?

9. Определите плотность мышечной ткани, если ее волновое сопротивление равно 1,6 ^.10⁶ кг/(м^2. с), а скорость распространения ультразвука в ткани составляет 1500 м/с.

10. Плотность здоровой мышечной ткани составляет 1060 кг/м³. Ее волновое сопротивление равно 1,63 ^. 10⁶ кг/(м^2. с). При исследовании ультразвуком отраженный сигнал был принят через 2 ^. 10^-5 с после излучения. На какой глубине мышечной ткани была обнаружена неоднородность?

Образец решения задачи.

Условие задачи 1.

Два звука одинаковой частоты ν =1кГц отличаются по громкости на

∆Е_ф = 20 фон. Во сколько раз отличаются их интенсивности?

Анализ условия задачи.

По условию задачи даны: два источника звука с интенсивностями I₁ и I₂; один приемник, воспринимающий эти звуки громкостями Е_1ф и Е_2ф, отличающиеся на ∆Е_ф. Источники излучают звуки одинаковой частоты.

Необходимо вычислить во сколько раз отличаются их интенсивности (I₁/I₂) .

Запишем условие задачи и ее решение в символической форме.

Опр.I₁/I₂_____ В соответствии с психофизическим законом Вебера-

∆Е_ф = 20 фон Фехнера Е_ф = 10 k lg(I/I₀). Тогда для звука

ν =1кГц от первого источника Е_1ф =10 k lg( I₁/I₀),

k =1 а для второго - Е_2ф =10 k lg( I₂/I₀)

По условию задачи ∆Е_ф = Е_ф1 - Е_ф2 = 10 k lg( I₁/I₀) - 10 k lg( I₂/I₀)

∆Е_ф = 10 k (lg( I₁/I₀) - lg( I₂/I₀))

Разность логарифмов равна логарифму отношений.

∆Е_ф = 10 k lg (I₁ / I₂) => lg (I₁ / I₂)= ∆Еф/10 k

Потенцируя, получаем I₁ / I₂ = 10^{∆Еф/10 k}

На частоте 1 кГц коэффициент k =1.

Подставляем числовые значения, получаем

I₁ / I₂ = 10^20/10 = 10² =100

Ответ: интенсивности звуков от двух источников отличаются в 100 раз.

Условие задачи 2.

Покажите, что заполнение гелем пространства между ультразвуковым излучателем и кожей человека способствует эффективному прохождению ультразвука в биологические ткани (воду). Плотности геля, воздуха и биологической ткани (воды) соответственно равны: ρ_г=800кг/м³; ρ_в=1,3кг/м³; ρ_т=1000кг/м³. Скорость ультразвука в геле v_г = 1500 м/с, в воздухе v_в = 330 м/с, v_т = 1500 м/с.

Анализ условия.

По условию задачи имеются (рис.7): источник УЗ (ультразвуковой излучатель - 1), биологическая ткань (кожа человека 3 и другие ткани - 4), промежуточная среда (воздух или гель - 2).

Рис.7.

На границе промежуточная среда – биологическая ткань УЗ волна (I)

частично отражается (I₂) и частично проходит в биологическую ткань (I₁).

Доля интенсивности волны, прошедшей во вторую волну, определяется коэффициентом проникновения (β) УЗ волны и вычисляется по формуле Рэлея.

Сравнивая коэффициенты проникновения для случаев воздух – ткань и гель – ткань, можно выявить условия более эффективного проникновения УЗ в биологические ткани.

Запишем условие задачи и ее решение в символической форме.

Опр. β₁, β₂ По формуле Рэлея определим коэффициент

ρ_г =800 кг/м³ проникновения β₁ для границы воздух – ткань:

ρ_в=1,3кг/м³ β₁= 4(v_в ρ_в / v_т ρ_т)/(( (v_в ρ_в / v_т ρ_т)+1)²

ρ_т=1000кг/м³ β₁= 4(330 м/c• 1,3кг/м³/1500м/с•1000кг/м³)/((330 м/c•

v_г = 1500м/с 1,3кг/м³/1500м/с•1000кг/м³) + 1)² = 0,0012

v_в = 330 м/с Аналогично определим коэффициент проникновения β₂ для

v_т = 1500 м/с границы гель – ткань:

β₂ = 4(v_г ρ_г/ v_т ρ_т)/((v_г ρ_г/ v_т ρ_т) + 1)²

β₂ = 4(1500м/с 800кг/м³/1500м/с•1000кг/м³)/( (1500м/с 800кг/м³/1500м/с • 1000кг/м³) + 1)² = 0,98

β₁ < β₂

Ответ: расчеты позволяют сделать вывод, что использование геля вместо воздуха в качестве промежуточной среды при ультразвуковом облучении биологических тканей является более эффективным.

Тесты самоконтроля.

1 уровень.