Эффект Доплера. Акустика

1. Эффе́кт До́плера— изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

Эффект был впервые описан Кристианом Доплеромв1842году.

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется— длина волны увеличивается:

 

гдеω₀— частота, с которой источник испускает волны,c— скорость распространения волн в среде,v— скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным  приёмником

 

Аналогично, если приёмник движется навстречу  волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника  и движущегося приёмника

гдеu— скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив вместоω₀в формуле (2) значение частотыωиз формулы (1), получим формулу для общего случая:

Использование

Эффект Доплера используется в радиолокации для распознавания движущихся объектов, например, самолетов, на фоне неподвижных (гор, облаков). По красным смещением света от астрономических объектов, измеряется их скорость и рассчитывается расстояние до них. Эффект Доплера широко используется в медицине. На базе эффекта созданы компьютерные комплексы ультразвуковой допплерографии. Изменение характеристик ультразвука при прохождении через сосуды позволяет определять состояние кровообращения, как в поверхностных так и во внутренних сосудах.

 

Применение Эффекта Доплера  в медицине

 

Этот эффект широко применяется  в акушерстве, так как звуки, идущие от матки легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через мочевой пузырь. Когда матка  наполняется жидкостью, она сама начинает проводить звук. Положение  плаценты определяется по звукам протекающей  через нее крови, а через 9 - 10 недель с момента образования плода  прослушивается биение его сердца. С помощью ультразвуковых устройств  количество зародышей или констатировать смерть плода.

На его же принципе основана диагностика  показателей кровотока практически  в любом сосуде, что очень важно  для выявления патологии поражающей сердечнососудистую систему и контроля ее лечения.

Применение ультразвука в терапии  и хирургии

Ультразвук, применяемый в медицине, может быть условно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука  низких интенсивностей (0,125 - 3,0 Вт/см2) - неповреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (> 5 Вт/см2) основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.

Применение ультразвука в хирургии. Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, механических наконечников.

Заживление переломов.

При экспериментальном исследовании переломов малой берцовой кости  у крыс было обнаружено, что ультразвуковое облучение во время воспалительной и ранней пролиферативной фаз  ускоряет и улучшает выздоровление. Костная мозоль у таких животных содержала больше костной ткани  и меньше хрящей. Однако в поздней  пролиферативной фазе приводило  к негативным эффектам - усиливался рост хрящей и задерживалось образование  костной ткани.

 

 

2. Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом.

Спектр звуковой — объектив ная характеристика звука сложного состава, отображающая его «внутреннюю» физическую структуру (в отличие от «внешней» структуры, отображаемой формой колебаний или осциллограммой). С. з. графически представляет распределение энергии звука по частотным компонентам (элементарным, или простым, тонам). С. з. в основном можно разделить на три характерные группы.

1. Линейные (дискретные) спектры звуков устойчивой высоты

2. Линейные (дискретные) спектры с негармоническими или не вполне гармоническими компонентами

3. Непрерывные или сплошные спектры шумов

Энергетической характеристикой  звуковых колебаний является интенсивность звука — энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны.

Среди всех средств медицинской  интроскопии или, другими словами, средств визуализации внутренних органов  и структур ультразвуковые диагностические  приборы занимают особое место. Это  объясняется рядом существенных достоинств ультразвукового метода исследований, основные из которых следует перечислить.

1. Высокая диагностическая информативность, обусловленная чувствительностью к физическим и физиологическим изменениям характеристик биологических тканей.

2. Способность оценивать динамические характеристики движущихся структур, прежде всего кровотока.

3. Безвредность обследований для  пациента и врача, что обеспечивается  достаточно низким уровнем излучаемой мощности ультразвука.

4. Относительно небольшие размеры и вес аппаратуры.

Известны ограничения и недостатки ультразвукового метода диагностики:

- невозможность получения информации о газосодержащих структурах (легкие, кишечник);

- трудность получения диагностических данных при наблюдении через структуры со значительным отражением, а также затуханием и рассеянием ультразвука (костные ткани, уже упоминавшиеся газосодержащие структуры);

- малая чувствительность при  исследовании органов и тканей с незначительным различием акустических характеристик.

Факторы, определяющие реабилитационную профилактику шума. Для реабилитационной профилактики шума необходимо знать основные факторы, определяющие его воздействие на организм человека: близость источника шума, интенсивность шума, длительность воздействия, ограниченность пространства, в котором действует шум. 
 
Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха). 
 
Воздействие длительного шума на ЦНС проявляется в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности. 
 
Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10-15 дБ. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3–5 минут. При высоком уровне интенсивности шума (80-90 дБ) его утомляющее действие резко возрастает. Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость. 
 
Сильное воздействие как на физическое, так и на психологическое состояние человека оказывает рок-музыка. Современная рок-музыка создает шум в диапазонах от 10 Гц до 80 кГц.

Защита от шума достаточно сложна. Это связано с тем, что вследствие сравнительно большой длины волны  звук огибает препятствия (дифракция) и звуковая тень не образуется. 
 
Кроме того, многие материалы, применяемые в строительстве и технике, имеют не достаточно высокий коэффициент поглощения звука. 
 
Эти особенности требуют специальных средств борьбы с шумами: подавление шумов, возникающих в самом источнике, использование глушителей, применение упругих подвесов, применение звукоизолирующих материалов, устранение щелей и т. п. 
 
Для борьбы с шумами, проникающими в жилые помещения, большое значение имеют правильное планирование расположения зданий, учет розы ветров, создание защитных зон, в том числе и растительных. Растения – хороший гаситель шума. Деревья и кустарники могут снижать уровень интенсивности на 5-20 дБ. Эффективны зеленые полосы между тротуаром и мостовой. Лучше всего шум гасят липы и ели. Дома, находящиеся позади высокого хвойного заслона, могут быть избавлены от шумов улицы почти полностью. 
 
Борьба с шумом не предполагает создание абсолютной тишины, так как при длительном отсутствии слуховых ощущений у человека могут возникнуть расстройства психики. Абсолютная тишина и длительный повышенный шум одинаково противоестественны для человека.

3. Физика слуха

Слуховая система связывает  непосредственный приемник звуковой волны  с головным мозгом.

Используя понятия кибернетики, можно  сказать, что слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Из всей слуховой системы для рассмотрения физики слуха выделяют наружное,среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо состоит из ушной  раковины и наружного слухового  прохода. Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации  источника звука при его расположении — звук от источника попадает в  ушную раковину. В зависимости  от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут  по разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приводит и к разному изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход. Человек научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости  будут соответствовать разности фаз. Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления  на источник звука с точностью  до 3°, этому соответствует разность фаз — 6°.

Поэтому можно полагать, что человек  способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в  его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия, бинауральному  эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень»  от головы до одного уха.

Слуховой аппарат человека состоит  из звукопроводящей и звуковоспринимающей  части. Звукопроводящая часть (рис 25, а) состоит из наружного слухового  прохода Р, барабанной перепонки П и связанных с ней трех сочлененных между собой слуховых косточек: молоточка М, наковальни Н и стремечка С, которые расположены в полости, называемой средним ухом. Стремечко плоским основанием прикреплено к перепонке, закрывающей просвет отверстия, которое сообщается с костной полостью - внутренним ухом. Внутреннее ухо, или перепончатый лабиринт, представляет собой звуковоспринимающий аппарат, заключенный в костную капсулу сложной формы (рис. 25, б). Перепончатый лабиринт состоит из преддверия В с полукружными каналами и улиткой У. Орган слуха одновременно служит и органом равновесия. Внутренняя полость перепончатого лабиринта заполнена жидкостью - эндолимфой, в которой взвешены кристаллики углекислой извести. Всякое изменение положения тела приводит их в движение, они раздражают чувствительные клетки внутренних стенок лабиринта. Раздражение передается окончаниям слухового нерва. Улитка - спиральнозавитой канал, отходящий от преддверия. Вдоль всей длины канала улитки расположен собственно звуковоспринимающий аппарат уха - кортиев орган, состоящий из клеток, к которым подходят разветвления волокон слухового нерва. Вдоль всей длины улитки расположены две перепончатые перегородки, называемые основной и рейснеровой мембранами. Основная мембрана ОМ, натянутая вдоль всей улитки между костными выступами на внутренней и наружной стенках канала, состоит из эластичных волокон (их общее число порядка 20 000), расположенных в поперечном направлении. В основании улитки эти волокна короткие (длинной около 0,04 мм), тонкие и более натянутые, у вершины - длинные (до 0,5 мм), более толстые и менее натянутые.

Наружное ухо выполняет две  функции - звукопроводящую и защитную. Последняя осуществляется благодаря  следующим его особенностям: изогнутости  наружного слухового прохода; наличию  в нем волос, предохраняющих от пыли и насекомых; сере, увлажняющей стенки слухового прохода и препятствующей проникновению инородных тел; высокой  чувствительности его стенок и барабанной перепонки.

Воздушная полость среднего уха соединяется евстахиевой трубой с носоглоткой, что позволяет выравнивать давление в среднем ухе по атмосферному давлению (соприкасающиеся стенки евстахиевой трубы раскрываются при глотательных движениях). В полости среднего уха имеются три подвижно сочлененные слуховые косточки (молоточек, наковальня и стремечко), служащие для передачи колебаний от барабанной перепонки к овальному окну, которое ведет в вестибулярную часть внутреннего уха.

Барабанная перепонка и слуховые косточки. Эти образования увеличивают  силу звуковых колебаний за счет уменьшения их амплитуды. Благодаря тому, что  площадь основания стремени (3 мм2), укрепленного в окне преддверия, значительно  меньше площади барабанной перепонки (около 55 мм2), а также в результате рычажного способа сочленения слуховых косточек давление на поверхности окна преддверия оказывается примерно в 20 раз больше, чем на барабанной перепонке. Этот механизм увеличения давления является чрезвычайно важным приспособлением, направленным на обеспечение эффективной  передачи акустической (звуковой) энергии  из воздушной среды в жидкую, которая  имеет значительно большее акустическое сопротивление (импеданс) по сравнению  с воздухом. Благодаря барабанной перепонке и слуховым косточкам  воздушные колебания большой  амплитуды и относительно малой  силы преобразуются в колебания  перилимфы с относительно малой  амплитудой, но большим давлением.

Локализация источника звука - определение на слух направления на источник звука и расстояния до него, обусловленное бинауральным эффектом, а при стереофоническом звуковоспроизведении - стереоэффектом. В последнем случае все источники звука локализуются в пределах базы громкоговорителей.

Человеку с нормальным слухом удаётся  определять это направление в  горизонтальной плоскости с точностью  до 3°. Расположение источника звука  по высоте устанавливается менее  точно. Более точному определению  направления прихода звука способствует изменение положения ушных раковин (у животных) и головы (у животных и человека). Бинауральный эффект можно  усилить, увеличив расстояние между  приёмниками, что достигается при  помощи звукоулавливателей.