Действие инфразвука и ультразвука на биологические объекты. Медико-биологическое использование ультразвука

 

Действие  инфразвука и ультразвука на биологические  объекты. Медико-биологическое использование  ультразвука.

 

• Инфразвук

      Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают . Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как . Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд.

      Природа возникновения инфразвуковых  колебаний такая же, как и у  слышимого звука, поэтому инфразвук  подчиняется тем же закономерностям,  и для его описания используется  такой же математический аппарат,  как и для обычного слышимого  звука (кроме понятий, связанных  с уровнем звука). Инфразвук слабо  поглощается средой, поэтому может  распространяться на значительные  расстояния от источника. Из-за  очень большой длины волны  ярко выражена дифракция.[1]

• Физиологическое действие инфразвука на открытом пространстве

       Рассмотрим в качестве примера  вредную для человеческого организма  стоячую волну частотой в 7 Гц, названную академиком Шулейкиным «голос моря», образующуюся по принципу, схожему с образованием стоячей волны в трубе, у которой один конец открыт, а другой закрыт. Для такой трубы, открытой с одного конца, основная частота , где — скорость звука в среде, — длина трубы. Таким образом, опасный для человека инфразвук может образовываться в море с глубиной в и ровным донным рельефом, что соответствует глубинам около метров, в зависимости от солёности и температуры воды.[2]

• Физиологическое действие инфразвука

      Органы человека, как и любое  физическое тело, имеют собственную  резонансную частоту. Под воздействием  звука с этой частотой они  могут испытывать внутреннее  изменение структуры, вплоть до  потери собственной работоспособности. Предполагается, что на этом принципе может быть создано инфразвуковое оружие. Также при совпадении воздействующего звука с ритмами мозга, такими как альфа-ритм, бета-ритм, гамма-ритм, дельта-ритм, тета-ритм, каппа-ритм, мю-ритм, сигма-ритм и др., может возникнуть нарушение активности церебральных механизмов мозга.

      Все случаи контакта человека  и инфразвука можно поделить  на две большие группы: контакты  в пространстве, не ограниченном  жесткими стенками, и контакты  в помещениях, то есть в пространстве, ограниченном жесткими стенками. Таким образом, с точки зрения  акустики, это контакты с бегущей  волной (в первом случае) и контакты  в полости резонатора (во втором  случае).[3]

 

• Действие инфразвука на человека

      Гигиеническая  проблема, связанная с воздействием  инфразвука на организм человека, возникла сравнительно недавно  – в 70-е годы. Неблагоприятное  действие инфразвука на организм  человека проявляется, прежде  всего, в психических нарушениях, негативном влиянии на сердечнососудистую, дыхательную, эндокринную и другие  системы организма, вестибулярный  аппарат. Специфической для действия  инфразвука реакцией является  нарушение равновесия.

       Инфрашумы воспринимаются человеком, главным образом, как физическая нагрузка: возникает утомление, головная боль, головокружение. Инфразвук силой свыше совершенно непереносим человеком; при наступает смерть вследствие разрыва легочных альвеол.

      Вредное  воздействие инфразвука на организм  человека усугубляется при совпадении  частоты инфразвуковых колебаний  с собственной частотой того  или иного органа. Резонансные  частоты для человека находятся  в диапазоне  Инфразвук частотой до вызывает резонансные явления со стороны крупных внутренних органов – желудка, печени, сердца, легких.

      Длительное  воздействие инфразвука может вызвать, например, хронический гастрит, колит, сохраняющиеся длительное время после прекращения его воздействия.

      При воздействии на человека повышенных уровней инфразвука наряду с указанными признаками наблюдается также затруднения дыхания, связанные, по-видимому, с вибрацией грудной клетки, с резонансными явлениями; тошнота вследствие раздражения рецепторов различных органов; расстройства терморегуляции, выражающиеся в возникновении озноба и ознобоподобного дрожания; нарушения зрительного восприятия; многообразные вегетативные реакции, вызванные нарушением функционирования гипоталамуса и другие.[4]

 

      Частота  различных симптомов, наблюдающихся  при кратковременном воздействии  инфразвука высокого уровня (120–135 дБ)

Симптомы	Частота
Головокружение
Тошнота
Усталость, слабость (в том  числе резкая слабость)
Ощущение вибрации тела, внутренних органов
Чувство страха
Головная боль
Ощущение давление на барабанные перепонки, заложенность ушей
Сенестопатия (обманчивые, нереальные ощущения)
Вегетативные нарушения (бледность, потливость, сухость во рту, кожный зуд)
Психические нарушения (пространственная дезориентация, спутанность мыслей и др.)
Затруднение глотания
Нарушение зрения (затуманенность зрения)
Ощущение удушья
Модуляция речи
Нарушение дыхания
Ознобоподобный тремор

 

 

• Интересные факты

 

       На краю "колокола" у медузы расположены  примитивные глаза и органы  равновесия - слуховые колбочки величиной  с булавочную головку. Это и  есть "уши" медузы. Однако "слышат" они не просто звуковые колебания,  доступные и нашему уху, а  инфразвуки с частотой 8 – 13 герц. Перед штормом усиливающийся  ветер срывает гребни волн  и захлестывает их. Каждое такое  захлопывание воды на гребне  волны порождает акустический  удар, создаются инфразвуковые колебания,  их-то и улавливает своим куполом  медуза. Колокол медузы усиливает  инфразвуковые колебания (как  рупор) и передает на "слуховые  колбочки". Шторм разыгрывается  еще за сотни километров от  берега, он придет в эти места  примерно часов через 20, а медузы  уже слышат его и уходят  на глубину. Нужно отдать должное  бионикам, которые создали электронный  автоматический аппарат - предсказатель  бурь, работа которого основана  на принципе "инфрауха" медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.

           Инфразвук — это звуковые колебания  частотой меньше 16 Гц. Именно инфразвуки, прекрасно распространяясь в  воде, помогают китам и другим  морским животным ориентироваться  в толще воды. Для инфразвука  не помеха даже сотни километров.

      Шелест листьев производит шум  силой 30 децибел, громкая речь  – 70 децибел, оркестр – 80 децибел,  а реактивный двигатель – от 120 до 140 децибел.

      Если взять в зубы тикающие наручные часы и заткнуть себе уши, то тиканье превратится в сильные, тяжелые удары — настолько оно усилится.

      Гранит проводит звук в десять  раз лучше, чем воздух.

      Водопад Ниагара производит шум,  сравнимый с шумом фабричного  цеха (90-100 децибел).

      Громкий храп может достигать  того же уровня звука, что  и отбойный молоток.

      Ударяясь о барабанную перепонку  в ухе, звук колеблет ее, и  она повторяет колебания воздушных  волн. Человек способен услышать  звук, даже если барабанная перепонка  под его воздействием отклонилась  на расстояние, равное радиусу  ядра атома водорода.

      Воздействие инфразвука на человека  весьма своеобразно. Известен такой интересный случай. Как-то в театре для пьесы о временах Средневековья заказали знаменитому физику Р. Вуду (1868—1955) огромную органную трубу, около 40 метров длиной. Труба издает тем ниже звук, чем она длиннее. Такая длинная труба должна была издать уже не слышимый человеческим ухом звук. Звуковая волна в 40 м длиной соответствует частоте около 8 Гц. А это вдвое ниже нижнего предела слышимости человека по высоте. Конфуз получился, когда попробовали на спектакле воспользоваться этой трубой. Инфразвук такой частоты хотя и не был слышим, но близко подошел к так называемому альфа-ритму человеческого мозга (5 — 7 Гц). Колебания такой частоты вызвали у людей чувство страха и паники. Зрители разбежались, устроив при этом давку. Такие частоты вообще опасны для человека.

      Разговорный голос составляет  всего 1/10 от общего диапазона  голоса.

       В Книге Рекордов Гиннеса зафиксирован  случай, когда человек смог произвести  больший шум, чем машина: на  соревнованиях 14-летняя шотландская  школьница, перекричала взлетающий  самолет «Боинг».

      Высота издаваемого звука зависит  от числа колебаний голосовых  связок в 1 секунду. При этом  связки способны приходить в  колебательные движения не только  целиком, но и отдельными участками.  Одни и те же связки могут  колебаться с частотой от 80 до 10 000 колебаний в секунду.[6]

 

• Ультразвук

      Ультразвук (УЗ) – упругие колебания  и волны, частота которых превышает  . Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » ^{, в жидкостях и твердых телах грани}чная частота достигает . В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными  специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

·     низкие УЗ-вые частоты ;

·     средние

·     высокие .

      Упругие волны с частотамиГц принято называть гиперзвуком.[5]

• Терапевтическое применение ультразвука в медицине

      Помимо широкого использования  в диагностических целях, ультразвук  применяется в медицине как  лечебное средство.

      Ультразвук обладает действием:

• противовоспалительным, рассасывающим
• аналгезирующим, спазмолитическим
• кавитационным усилением проницаемости кожи

      Фонофорез — сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно — ионов минералов бишофита. Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:

• лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается
• синергизм действия ультразвука и лечебного вещества

      Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз , остеохондроз, артриты, бурситы,  состояния после травм опорно-двигательного аппарата; Невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов.

      Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела — , в области грудного и поясничного отдела — ).[1]

 

• Интересные факты

      1. Влияние ультразвука на головной мозг. Известно, что ультразвук высокой интенсивности вызывает разрушение клеток человеческого тела. Это используется в хирургии: фокусированный ультразвук позволяет неинвазивным способом (то есть без надрезов) разрушать патологические очаги, расположенные внутри человеческого тела, например, опухоли головного мозга и матки. Американские ученые из Колумбийского университета установили, что воздействие фокусированным ультразвуком с интенсивностью, близкой к критической, но не вызывающей необратимых изменений в структуре мозга, приводит к обратимому локальному нарушению гематоэнцефалического барьера. Гематоэнцефалический барьер - это защитный механизм мозга, препятствующий проникновению вредных веществ из крови в мозг и затрудняющий медикаментозное лечение некоторых заболеваний, например, болезней Паркинсона и Альцгеймера. 
      2. Эффект Фрея (микроволновой слуховой эффект). В годы Второй мировой войны лица, работавшие вблизи радаров, обнаружили необычный эффект: они слышали звуки, которые казались возникающими непосредственно внутри их черепа и не были слышны окружающим людям. Впоследствии это явление было объяснено американским нейрофизиологом Аланом Фреем и было названо в его честь. Суть эффекта состоит в следующем: при воздействии модулированного микроволнового излучения радара на участки человеческого черепа, расположенные вблизи внутреннего уха, возникает поглощение тепла, сопровождающееся их термическим расширением. В результате возникает упругая (звуковая!) волна, которая кажется возникающей (и действительно возникает) внутри черепа. При соответствующем выборе модулирующего сигнала с помощью эффекта Фрея можно передавать человеку информацию в виде отдельных слов и фраз. Это может быть использовано в слуховых аппаратах для глухих и слабослышащих людей, для беспроводной передачи информации, не требующей специального приемника, а также в нелетальном оружии. Тем не менее возможность применения эффекта ограничена потенциальной вредностью микроволнового излучения. К числу существующих применений принадлежит микроволновая термоакустическая томография - способ диагностики заболеваний, основанный на исследовании акустических волн, возникающих в результате локального теплового расширения тканей человеческого тела под действием микроволн.[7]