Физика слуха. Понятие о звукопроводящей и звуковоспринимающей системах. Физические основы звуковых методов исследования в клинике. Поглощение и отражение звуковых волн

Физика слуха. Слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Выделим наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука.

Обладая двумя звукоприемниками (ушами) человек способен установить направление на источник звука в горизонтальной плоскости (биноуральный эффект). Это объясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит разное расстояние, и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Если источник звука находится прямо перед лицом человека, то _b=0 и дельта ф=0, если же источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в другую ушную раковину он попадает с запаздыванием.

Кроме фазового различия биноуральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей. Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки. В результате интерференции падающей к отражающей волн может возникнуть акустический резонанс. Это возникает тогда, когда длина волны в четыре раза больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см. акустический резонанс возникает при частоте V=c/b=3*10²/4*2,3*10^-2=3кГц.

Наиболее существенной частью среднего уха является барабанная перепонка и слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко.

Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Основное назначение среднего уха – способность передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Система косточек на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S₁=64мм²), на другом стремечком – с овальным окном внутреннего уха (площадь S₂=3мм²). На барабанную перепонку действует звуковое давление р₁, что обуславливает силу F₁=р₁S₁.

На круглое окно внутреннего уха при этом действует сила F2, создающая звуковое давление p2 в жидкой среде. Связь между ними: F₂=p₂S₂.

Система косточек работает как рычаг с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха в 1,3 раза у человека.

Функция среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае звука большей интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразующая механические колебания в эл-ый сигнал.

Физические основы звуковых методов исследования в клинике

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний – аускультация (выслушивание). Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация.

При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности.

Для диагностики состояния сердечной деятельности применяют метод, называется фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Отличным от двух выше изложенных методов является перкуссия. В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивании их. Схематично тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легких), жидких (внутренние органы) и твердых (кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.

Понятие о звукопроводящей и звуковоспринимающей системах.

Орган слуха является анализатором звуков, в котором различают звукопроводящую и звуковоспринимающую системы.

Звукопроводящая система включает в себя наружное ухо, среднее ухо и жидкостные среды внутреннего уха.

К звуковоспринимающей системе относят внутреннее ухо и центр слуха коры головного мозга.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода, закрытого с одного конца барабанной перепонкой. Ушная раковина улавливает звук и участвует в определении локализации источника звука. Звук от источника попадает в наружный слуховой проход в результате дифракции звука на ушной раковине. Это приводит к изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход.

Наружный слуховой проход слегка извилистый канал 2,5-3,0 см. у взрослого человека. Звуковая волна проходит через слуховой проход, частично отражается от барабанной перепонки, и в результате при сложении падающей и отраженной волны может возникнуть акустический резонанс, это происходит при частоте звука 1-4кГц.

Физиологическое значение наружного уха заключается в проведении звуковых волн к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от среднего, размер барабанной перепонки составляет 9-10мм., она расположена косо, образуя угол в 120-140 градусов к верхней стенке слухового прохода. Благодаря конусовидной форме и неодинаковому натяжению, барабанная перепонка обладает собственным резонансом, вследствие чего она передает звуковые волны разной частоты одинаково без искажения.

Среднее ухо состоит из ряда сообщающихся полостей – барабанной полости, воздухоносных ячеек сосцевидного отростка и слуховой трубы. Внутренняя стенка барабанной полости является наружной стенкой внутреннего уха. Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую трубу.

Через систему слуховых косточек (молоточек, наковальня и стремечко) среднее ухо трансформирует звуковые колебания воздуха в звуковые колебания жидкой среды внутреннего уха. Среднее ухо является защитным устройством для внутреннего уха от звуков большей интенсивности.

Внутреннее ухо размещено в пирамиде височной кости, содержит систему полостей с заключенными в них рецепторными структурами органа слуха и вестибулярного аппарата. Внутреннее ухо называется лабиринтом. В лабиринте различают преддверие, улитку и полукружные каналы.

Один из каналов начинается от овального окна – называется вестибулярной лестницей, другой от круглого окна – называется барабанной лестницей. Эти каналы соединены в область купола улитки маленьким отверстием – геликотремой. Эти каналы наполнены перилимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей проходит основная базилярная мембрана.

На ней находится спиральный (Кортиев) орган, содержащий механочувствительные рецепторные кл-ки, Кортиев орган и является преобразователем механических колебаний в электрические сигналы.

Во внутреннем ухе колебания мембраны овального окна вызывают колебания перилимфы, которые в свою очередь приводят к сложным колебаниям базилярной мембраны. В результате этих колебаний происходит раздражение волосковых клеток и как следствие, генерация электрических сигналов, несущих информацию о характеристиках звуковой волны в центр слухового восприятия коры головного мозга.

Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная ф-ная цепь: колебания мембраны овального окна, колебания перилимфы, сложные колебания основной базилярной мембраны, раздражение волосковых клеток, генерация электрического сигнала.

Поглощение и отражение звуковых волн

Звуковыми волнами или звуком называются продольные механические волны с частотой от 16 до 20000Гц, распространяющиеся в упругих средах.

Уравнение звуковой волны:

S=Acos w(t-x/c)

S – смещение колеблющейся частицы среды относительно положения равновесия

A – амплитуда колебаний

W – круговая частота колебаний

x – координата колеблющейся частицы среды

c – скорость распространения звуковой волны

Волновое сопротивление – важнейшая характеристика среды, определяющая условие отражения и преломления волн на ее границе.

Представим, что звуковая волна попадает на границу раздела двух сред. Часть волны отражается, а часть – преломляется. Преломленная волна может поглотиться во второй среде, а может выйти из нее.

Предположим, что плоская волна падает нормально к границе раздела, интенсивность ее в первой среде I₁, интенсивность преломленной (прошедшей) волны во второй среде I₂.

B=I₁/I₂ – коэффициент проникновения звуковой волны

Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука определяется формулой

B=L c₁p₁/c₂p₂ / ((c₁p₁/c₂p₂)+1)²

Получаем, что B=1 если c₁p₁₌c₂p₂

При равенстве волновых сопротивлений двух сред звуковая волна пройдет границу раздела без отражения.

Ультразвук. Источники и приемники ультразвука. Особенности распространения УЗ волн. Действие УЗ на вещество. Биофизические основы действия УЗ на клетки и ткани организма. Применение УЗ в диагностике и для лечения.

Ультразвук (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20кГц, и длиной волны меньшей чем у звуковой волны. Верхний предел УЗ-частот определяется межмолекулярным расстоянием и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется УЗ-волна (10⁹-10¹⁰ Гц). Для получения УЗ используют обратный пьезоэлектрический эффект, магнитострикцию и электрострикцию.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том , что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца( или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластинки. Колебания пластинки передаются частицам окружающей среды. Что и порождает УЗ-влону.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют свои линейные размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня. Поместив стержень в переменное магнитное поле (внутрь катушки, по которой течёт переменный ток), в стержне будут происходить вынужденные колебания. Амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде УЗ-волны. Интенсивность которых находиться в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (керамика, титанат бария, титанат цирконат свинца) способны изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, электрострикции, внешне отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака.

УЗ регистрируют приемным преобразователем, действие которого основано либо на пьезоэлектрическом эффекте, либо на явлении, обратном электрострикции. При сжатие кварцевой пластинки( или пластинки из керамики0 на её параллельных плоскостях создается разность потенциалов, которая зависит от сжимающего давления. Действие кварцевого и электрострикционного керамического приемного преобразователя: УЗ-волны оказывают переменное давление на поверхность пластинки. Что приводит к появлению на её поверхности переменной разности потенциалов. Которая и фиксируется электрической частью приемного устройства.

Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами.

1. УЗ является механической (упругой ) волной.

2. В большинстве случаев можно не учитывать дифракцию.

3. Отражение УЗ на границе 2-х сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений.

– интенсивность отраженной УЗ-волны; – интенсивность падающей УЗ-волны

Медико-биологические приложения УЗ

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следущее:

1. Микровибрации на клеточном и субклеточном уровне

2. Перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран

3. Тепловое действие

4. Разрушение клеток и микроорганизмов

Сжатия и разрежения, создаваемые УЗ, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости – кавитации. Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются , при этои в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества. Ионизация и диссоциация молекул.

Поиск по сайту: