Экология
региональное природопользование

Поля

Акустические поля,их роль в процессах жизнидеятельности

Под акустикой обычно понимают области физики и биологии, исследующие упругие колебания и волны в частотном диапазоне 0—1013 Гц, их взаимодействия с различными средами, относящимися к объектам как живой, так и неживой природы. С середины XX в. началось активное развитие психофизиологической акустики, вызванное необходимостью разработки методов регистрации и анализа неискаженной акустической информации, а также передачи и воспроизведения множества акустических сигналов.

Результаты физиологической акустики используются в электроакустике, архитектурной акустике, системах передачи речи, теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике.
В общем случае спектральный диапазон акустических колебаний принято делить по биологическому эффекту на:

  • инфразвук (0—20 Гц);
  • звуковой диапазон (20—2 • 104 Гц);
  • ультразвук (2 • 1042 • 109 Гц);
  • гиперзвук (2 • 1092 • 1013 Гц)

Инфразвук упругие волны с частотами ниже области слышимых человеком частот. Инфразвук содержится в шуме атмосферы и моря, его источники турбулентность атмосферы и ветер, грозовые разряды, взрывы; в земной коре сотрясения и вибрации от самых различных источников. Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего он может распространяться на очень далекие расстояния. Это позволяет определять места сильных взрывов, предсказывать цунами, землетрясения, исследовать верхние слои атмосферы, свойства водной среды и др.

Большое значение имеет биологический эффект, производимый инфразвуком. Поскольку длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте 3,5 Гц она равна 100м), проникновение ее в ткани тела также велико. Фигурально говоря, человек слышит инфразвук всем телом. Какие же неприятности может причинить проникший в тело инфразвук?

Довольно эффективно, в смысле влияния на человека, воздействие механического резонанса упругих колебаний. Самым опасным здесь считается промежуток от 6 до 9 Гц. Значительные психотропные эффекты сильнее всего выказываются на частоте 7 Гц, созвучной альфаритму природных колебаний мозга, причем любая умственная работа в этом случае делается невозможной, поскольку кажется, что голова вотвот разорвется на мелкие кусочки. Звук малой интенсивности вызывает тошноту и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, порождая паралич, общую слабость, а иногда и слепоту. Упругий мощный инфразвук способен повредить и даже полностью остановить сердце, «обычно неприятные ощущения начинаются с уровня звукового Давления 120 дБ, травмирующие — со 130 дБ. Инфрачастоты около 12 Гц в 85—110 дБ наводят приступы морской болезни и головокружение, а колебания частотой 15—18 Гц притой же интенсивности внушают чувства беспокойства, неуверенности и, наконец, пажеского страха. В начале 1950х годов французский исследователь Гавро, изучающий влияние инфразвука на организм человека, установил, что при колебаниях порядка 6 Гц у добровольцев, участвовавших в опытах, возникало сначала ощущение усталости, затем беспокойства, переходящего в безотчетный ужас. По мнению Гавро, при инфрачастоте 7 Гц возможен паралич сердца и нервной системы.

Ритмы, характерные для большинства систем организма человека, лежат в инфразвуковом диапазоне:

  • сокращение сердца 1—2 Гц;
  • дельтаритм мозга (состояние сна) 0,5—3,5 Гц;
  • альфаритм мозга (состояние покоя) 8—13 Гц;
  • бетаритм мозга (умственная работа) 14—35 Гц.

Изменяя интенсивность инфразвука от внешних источников на этих частотах, можно существенно изменить условия функционирования соответствующих органов, вызывая в них как лечебный эффект, так и эффект заболевания в зависимости от режима облучения.

Звуковой диапазон — колебательное движение частиц упругой среды, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных. Основной характеристикой звука является его спектр, получаемый в результате разложения на простые гармонические колебания. Основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих тембр звука. Энергетической характеристикой является интенсивность звука (Вт/м2), которая зависит от амплитуды звукового давления, свойств среды и формы волны. Физиологической характеристикой звука, связанной с его интенсивностью законом Вебера — Фехнера, является громкость звука. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1—5 кГц.

Рассмотрим последовательность событий при восприятии звука. Звуковая волна, пройдя наружное ухо, наталкивается на туго натянутую барабанную перепонку, приводя ее в движение. Барабанная перепонка связана с системой слуховых косточек среднего уха, которые передают звуковые колебания во внутреннее ухо улитку. Слуховые косточки приводят в движение овальное окно, отделяющее перилимфу внутреннего уха от воздушного пространства среднего уха. Движение жидкости в вестибулярном и базилярном каналах внутреннего уха заставляет колебаться базилярную мембрану, следуя частоте и силе звука. Движение базилярной мембраны стимулирует рецепторные клетки. В результате появляются потенциальные действия, передаваемые звуковыми слуховыми нервами в кору головного мозга.

При пороговых значениях звукового давления стремечко колеблется как поршень. Абсолютные значения смешения очень малы и повторяют движения барабанной перепонки. Для барабанной перепонки величину смещения легко рассчитать. Толщина барабанной перепонки очень мала по сравнению с длиной звуковых волн, и скорость ее перемещения совпадает со скоростью частиц в плоской волне в воздухе. Средняя скорость смещения частиц в волне и связана со значением звукового давления с скоростью распространения волны с плотностью воздуха.

В общем случае распространение звуковой волны характеризуется в первую очередь скоростью звука. В ряде случаев наблюдается дисперсия скорости звука, то есть зависимость скорости от частоты. При распространении волн большой амплитуды происходит постепенное искажение синусоидальной формы волны, которая представляет собой скачок уплотнения вещества, распространяющегося со сверхзвуковой скоростью, и является тонкой переходной областью в среде, где происходит резкое увеличение плотности и давления.

Ультразвук удобно подразделять на три диапазона: 104—105 Гц (низкие частоты); 105—107 Гц (средние частоты); 107—109 Гц (высокие частоты). Каждый из этих диапазонов характеризуется специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. По физической природе ультразвук, также как и звук, представляет собой упругие волны. Однако благодаря более высоким частотам он имеет ряд особенностей распространения. В частности, ввиду малой длины волны характер распространения ультразвука в первую очередь определяется молекулярной структурой среды; поэтому, оценивая скорость ультразвука и коэффи­циент затухания, можно судить о молекулярных свойствах вещества.

Основными излучателями ультразвука являются электромеханические сигналы, преобразующие электрические колебания в механические. В диапазоне низких частот возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли магнитострикционные преобразователи, использующие эффект магнитострикций для излучения средних и высоких частот ультразвука применяют пьезоэлектрические преобразователи, использующие явлений пьезоэлектричества.

Ультразвук различных диапазонов применяется в биологии и медицине. В частности, при действии ультразвука на биологические объекты происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на десятые доли градуса способствует активизации жизнедеятельности объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению.

Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей используется для диагностики внутренних органов. Микромассаж тканей, активизация процессов обмена и локальное нагревание тканей под действием ультразвука используются для неразрушающих терапевтических целей. С другой стороны, ультразвуковая хирургия предусматривает разрушение тканей собственно звуковыми колебаниями.

Гиперзвук высокочастотная часть спектра упругих волн; по физической природе не отличается от ультразвука. Однако благодаря более высоким частотам по сравнению с ультразвуком значительно более существенными становятся взаимодействия гиперзвука с электронами проводимости, тепловыми фононами и другими квазичастицами в среде. Более того, сам гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц фононов.

Как видно из спектрального диапазона акустических колебаний, гиперзвук соответствует частотам электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, то есть длины волны гиперзвука одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе. Однако упругие волны могут распространяться в среде до тех пор, пока их длины заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и Твердых телах, поэтому в газах (в частности, в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвук распространяться не может. В жидких средах затухание гиперзвука очень велико. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в кристаллических объектах, причем при низких температурах. Это связано с тем, что перзвук сам может быть теплового происхождения, поэтому тепловые колебания атомов и ионов, составляющих кристаллическую решетку, можно рассматривать как тепловой шум совокупность продольных и поперечных волн, распространяющихся в семи направлениям. Эти волны при частотах 109—1013 Гц называемых гиперзвуком теплового происхождения, или тепловыми фонами.

Кроме естественной природы гиперзвука (кристаллические фононы) существуют и технические методы генерации гиперзвука, основанные, как и в случае ультразвука, на использовании явлений магнитострикции и пьезоэлектричества.

Близость частот гиперзвука к световому излучению приводит к изменению показателя преломления электромагнитной волны под действием упругой волны, а также к возникновению упругой волны под действием электромагнитной волны в твердом теле, которое можно представить как фотонное взаимодействие. Примером такого взаимодействия является дифракция света на гиперзвуке в кристаллах.

Свойства гиперзвука позволяют использовать его для исследования структурных изменений в различных кристаллах, а также для создания устройств акустоэлектроники и акустооптики.

<Экологические системы. Энергия в экосистемах.
Главная   |   Поля   |   Жизнедеятельность   |   Природопользование   |   Безопасность   |   Карта сайта
2008-2015 © p0d.ru, E-mail:info@p0d.ru