Применение инфразвука и ультразвука

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Инфразвук

Инфразвук (от лат. Infra - ниже, под) - упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоты ниже слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового (ИЗ) диапазона принимают 16-25 Гц, нижняя граница не определена. Практический интерес могут представлять колебания частотой от десятых и даже сотых долей герца, т.е. периодами в десяток секунд. Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса, моря. Источниками ИЗ-колебаний являются грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы.

Поскольку инфразвук слабо поглощается в различных средах, он может распространяться на очень большие расстояния в воздухе, воде и земной коре. Это находит практическое применение при определении местоположения эпицентра землетрясения, сильного взрыва или стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказывать стихийные бедствия, например, цунами. Взрывы, порождающие большой спектр ИЗ-частот, применяются для исследования верхних слоёв атмосферы, свойств водной среды.

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию его уровня. Основные техногенные источники инфразвука в городе приведены в таблице.

2. 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.

3. Воздействие инфразвука на человека в закрытых помещениях

В основном человек сталкивается с инфразвуком каждый день, соприкасаясь с жёсткими стенками, которые ограничивают пространство его деятельности. Все типы комнат по своему можно назвать резонаторами, так самое обычное помещение по сравнению с длиной инфразвуковой волны служит резонатором для одной четвёртой волны (четверть волновой резонатор) с частотой колебания 5,5 Гц. Соответственно, человек контактирует с инфразвуковыми волнами, часто даже не замечает этого, но как бы то ни было любой контакт с раздражителем должен вызвать ответную реакцию организма. Уже было экспериментально доказано, что, находясь в разных частях комнаты, происходит разнонаправленная ответная реакция организма человека. Таким образом, зоны комнаты условно можно поделить на градиентные зоны. В первой у человека падает работоспособность, усиливается свёртываемость крови (то есть, научно выражаясь, повышается способность к гиперкоагуляции крови) и падает частота, при которой он различает звуковые импульсы и световые вспышки. Всё это связано с прямым воздействием инфразвуковых волн на стенки кровяных сосудов. С обратной стороны комнаты у людей повышена работоспособность, частота при которой различаются звуковые импульсы и световые вспышки, а так же уменьшена способность к свёртыванию крови (что весьма плохо, в случаях порезов и травм - кровь может не остановиться вовремя, что чревато большой потерей крови).

Такое пагубное воздействие инфразвуковых волн на человека сохраняется в пределах интенсивности от 80 - 120 Дб в частотах колебания 8-ми, 10-ти и 12-ти Гц.

4. Инфразвук в природе

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 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.

5. Применение инфразвука в медицинских целях

Инфразвуковые колебания волн это колебания малой частотой, но большое длины волны, которые способны оказывать самые разнообразные действия на организм человека. Применение такого рода низкочастотных волн может приносить как вред, так и пользу человеческому организму. Но всё же уже с конца прошлого столетия инфразвук стал применяться для лечения многих хронических заболеваний. Таким аппаратом, который стал преобразовывать инфразвуковые волны для успешного лечения инфразвуком, стал аппарат под аббревиатурным названием ИФС - 1.

Такой аппарат и на тот момент, и сейчас не имеет эффективных аналогов во всём мире. Хотя бы, потому что он способен лечить более 70 видов заболеваний. Для большей надежности этот аппарат проходил неоднократные клинические испытания. Применение этого аппарата показало в 80% случаев полное выздоровление, а в остальных значительное улучшение состояние здоровья больных. Такой метод лечения хорошо применим для тех людей, которым противопоказаны терапии ультразвуком, лазером, парафином, токами различной частоты и общепринятая терапия. Этот аппарат применяется для лечения инфразвуком и показывает высокую степень эффективности в лечении весьма широкого спектра заболеваний. Такое лечение возможно без госпитализации и применения различных медикаментозных средств. Одним из его достоинств является простота и короткий курс проведения процедуры лечения, вторым же является то, что такая процедура не входит в разряд дорогих процедур и доступна для всего слоя населения. Воздействие инфразвуком приводит к положительному воздействию на весь организм. Единственный, пожалуй, недостаток такого аппарата это противопоказания проведения процедур во время беременности, как и у большинства приборов действующих по принципу излучателей.

Принцип лечения таким прибором использующий инфразвуковые колебания заключается в том, чтобы воздействовать внешне на больной орган, в результате чего происходит активизация процесса жизнедеятельности клеток органа. Инфразвук обладает как бактерицидным, так и вирусологическим действием, которое активизирует регенеративные и репаративные процессы клеток, что в свою очередь восстанавливает работу больного органа. Таким образом, инфразвук улучшает и восстанавливает иммунную защиту всего организма и повышает сопротивляемость к разрушающим факторам. Применение этого аппарата снижает болевой синдром, а так же способствует ускоренному заживлению ран и свертыванию крови. Его воздействие может так же снимать депрессию, стабилизирует давление и нормализует вес. В настоящее время продолжается исследования способом лечения инфразвуком с помощью этого аппарата различных болезней связанных в первую очередь с возникновением новообразований. Многочисленные исследования показали, что данный аппарата может замедлить рост и распространение новообразований и злокачественных опухолей с последующей регенерацией поврежденного органа, после чего происходит восстановление функциональности организма.

Показаниями при использовании инфразвуковой терапии для лечения болезней могут служить:

1) различные воспалительные процессы внутренних органов,

2) предопухолевые заболевания,

3) различные воспалительные заболевания ЛОР органов и дыхательных путей,

4) эндокринологические заболевания,

5) заболевания опорно-двигательного аппарата,

6) заболевания сосудистой системы,

7) почечнокаменные и желудочно-каменные болезни,

8) реабилитация больных со злокачественными образованиями

Суть процедуры состоит в том, что с помощью динамического преобразования электрические колебания преобразуются в силовое физическое поле низких частот. Таким образом, на тело человека оказывает влияние низкочастотное поле. Воздействие инфразвуком приводит к восстановлению у людей утраченных функций организма, способствует восстановлению биохимических и обменных процессов, нормализации пораженного болезнью организма.

6. 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.

Свисток Гальтона. Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 г. англичанин Ф. Гальтон. При пропускании под высоким давлением воздуха через маленькую цилиндрическую резонансную полость в результате удара цилиндрического поршня о губу (металлическую пластинку) в зазоре генерируется ультразвук частотой около 170 кГц (определяется размерами кольцевого сопла и губы). Мощность свистка Гальтона невелика, его в основном применяют для подачи команд при дрессировке собак.

7. Применение ультразвука в медицинских целях

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.

Оценка безопасности применения ультразвука в медицине. Пока невозможно выделить один или даже несколько физических параметров, которые служили бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих предсказать конечный биологический эффект. И всё же полезно выдвинуть некоторые критерии для правильного применения ультразвука:

1. Оператор должен использовать минимальные интенсивности и экспозиции, позволяющие получить у пациента желаемый клинический эффект.

2. Обслуживающий персонал не должен облучаться без необходимости.

3. Все процедуры должны выполняться хорошо обученным персоналом или под его руководством.

8. Технологии и приборы, основанные на свойствах ультразвука

Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление в волне обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения косяков рыбы или других подводных объектов. Одна из первых практических УЗ-систем обнаружения подводных лодок появилась в конце Первой мировой войны.

Ультразвуковой расходомер. Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается со скоростью потока, то вычитается из неё. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, в итоге вычисляется скорость потока, а по ней - и массовая скорость (расход). Этот измеритель может применяться как в замкнутом контуре (например, для исследований кровотока в аорте или охлаждающей жидкости в атомном реакторе), так и в открытом (например, реки).

Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств этой среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую УЗ-химией. Она исследует и стимулирует такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, диполимеризация, ускорение реакций.

УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами в металлических расплавах, и разрушает оксидную плёнку алюминия, и позволяет производить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей из очень твёрдых и хрупких материалов, как, например, стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая сталь. В промышленности также используется большой ассортимент оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенцев с малогабаритных деталей.

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей. Ещё в 1927 г. американские учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и облучить ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, т.е. мелкая взвесь масла в воде. Это широко используется в промышленности для изготовления лаков, красок, фармацевтических изделий, косметики.

9. Влияние ультразвука на организм человека

Работа ультразвукового оборудования и аппаратуры сопровождается распространением в окружающей среде как ультразвуковых, так и звуковых колебаний. Появление звуковых колебаний объясняется. генерированием ультразвуковых колебаний в производственной обстановке в звуковые колебания с частотой слышимого высокочастотного звука.

Общий уровень звукового и ультразвукового давления вблизи от оборудования может достигать 105-128 дБ. Следовательно, вредному воздействию подвергается не только персонал, имеющий непосредственный контакт с ультразвуковым оборудованием или находящийся в зоне распространения ультразвуковой волны, но также и все работающие в помещении в результате возникновения высокочастотного шума.

При воздействии ультразвука и сопровождающего его высокочастотного звука или шума могут наблюдаться нарушения со стороны нервной системы: утомление, головные боли, бессонница ночью и сонливость днем, повышенная чувствительность к звукам, раздражительность, понижение кровяного давления, снижение остроты слуха и т.д. При длительном контакте с жидкостью, деталями, ультразвуковым инструментом может появиться снижение чувствительности кистей рук и чувство онемения в пальцах, Эти явления нестойки и, как правило, исчезают при прекращении работы на ультразвуковом оборудовании.

Уровни звукового давления на рабочих местах и ультразвуковых установок не должны превышать 75, 85 и 110 дБ соответственно при среднегеометрических частотах 12500, 16000 и 20000 Гц

инфразвук звуковой ультразвук давление

Литература

1. Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. - М., 1987.

2. Баулан И. За барьером слышимости. - М., 1971.

3. Пахомова Н.Ю. Метод учебного проекта в образовательных учреждениях. - М., 2005.

4. Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. - М., 1986.

5. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. - М., 2002.

Размещено на Allbest.ru