Физика в медицине

13. Жидкость. Уравнение Ньютона. Коэффициент вязкости жидкости, единицы измерения. Ньютоновские и не ньютоновские жидкости. Вязкость крови. Способы измерения вязкости

Жидкость -- одно из агрегатных состояний вещества. Характерным свойством жидкости является относительно легкая смещаемость молекул под действием внешних сил. Это свойство называется текучестью; однако взаимное смещение частиц сопровождается некоторым сопротивлением, которое называют внутренним трением или вязкостью жидкости.

В реальной жидкости вследствие взаимного притяжения и теплового движения молекул имеет место внутреннее трение, или вязкость. Рассмотрим это явление на следующем опыте

Рис. 3

Поместим слой жидкости между двумя параллельными твердыми пластинами. «Нижняя» пластина закреплена. Если двигать «верхнюю» пластину с постоянной скоростью v₁, то c такой же скоростью будет двигаться самый «верхний» 1-й слой. Этот слой влияет на нижележащий непосредственно под ним 2-й слой, заставляя его двигаться со скоростью v₂, причем v₂< v₁. Каждый слой (выделим n слоев) передает движение нижележащему слою с меньшей скоростью.

Слои взаимодействуют друг с другом: n-й слой ускоряет вышележащий слой, но замедляет нижележащий слой. Таким образом, наблюдается изменение скорости течения жидкости в направлении, перпендикулярном поверхности слоя (ось х). Такое изменение характеризуют производной dv/dx,которую называют градиентом скорости.

Силы, действующие между слоями и направленные по касательной к поверхности слоев, называются силами внутреннего трения или вязкости. Эти силы пропорциональны площади взаимодействующих слоев S и градиенту скорости. Для многих жидкостей силы внутреннего трения подчиняются уравнению Ньютона:

где з - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом вязкости или просто вязкостью жидкости и зависящий от ее природы.

Жидкость, которая подчиняется уравнению Ньютона, называют ньютоновской. Коэффициент внутреннего трения ньютоновской жидкости зависит от ее строения, температуры и давления, но не зависит от градиента скорости.

Ньютоновская жидкость - жидкость, вязкость которой не зависит от градиента скорости.

Свойствами ньютоновской жидкости обладают большинство жидкостей (вода, растворы, низкомолекулярные органические жидкости) и все газы.

Неньютоновская жидкость- жидкость, вязкость которой зависит от градиента скорости.

Свойствами неньютоновской жидкости обладают структурированные дисперсные системы (суспензии, эмульсии), растворы и расплавы некоторых полимеров, многие органические жидкости и др.

При прочих равных условиях вязкость таких жидкостей значительно больше, чем у ньютоновских жидкостей. Это связано с тем, что благодаря сцеплению молекул или частиц в неньютоновской жидкости образуются пространственные структуры, на разрушение которых затрачивается дополнительная энергия.

Кровь

Кровь представляет собой суспензию форменных элементов в белковом растворе - плазме. Поэтому, строго говоря, она должна быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Кроме того, при течении крови по сосудам наблюдается концентрация форменных элементов в центральной части потока, где вязкость соответственно увеличивается. Но поскольку вязкость крови не так велика, этими явлениями пренебрегают и считают ее коэффициент постоянной величиной. Относительная вязкость крови в норме составляет 4,2 - 6. При патологических условиях она может снижаться до 2 - 3 (при анемии) или повышаться до 15 - 20 (при полицитемии). Относительная вязкость сыворотки крови в норме 1,64 - 1,69 и при патологии 1,5 - 2,0.

Методы определения вязкости жидкостей

Совокупность методов измерения вязкости жидкости называется вискозиметрией. Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром. В зависимости от метода измерения вязкости используют следующие типы вискозиметров.

1. Капиллярный вискозиметр Оствальда основан на использовании формулы Пуазейля. Вязкость определяется по результату измерения времени протекания через капилляр жидкости известной массы под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений.

2. Медицинский вискозиметр Гесса с двумя капиллярами, в которых движутся две жидкости (например, дистиллированная вода и кровь). Вязкость одной жидкости должна быть известна. Учитывая, что перемещение жидкостей за одно и то же время обратно пропорционально их вязкости, вычисляют вязкость второй жидкости.

3. Вискозиметр, основанный на методе Стокса, согласно которому при движении шарика радиуса R в жидкости с вязкостью з при небольшой скорости v сила сопротивления пропорциональна вязкости этой жидкости:

F = 6рзRv (формула Стокса).

Эритроциты перемещаются в вязкой жидкости - плазме крови. Так как эритроциты имеют дискообразную форму и оседают в вязкой жидкости, то скорость их оседания (СОЭ) можно определить приближенно по формуле Стокса. О скорости оседания судят по количеству плазмы над осевшими эритроцитами. В норме скорость оседания эритроцитов равна: 7-12 мм/ч для женщин и 3-9 мм/ч для мужчин.

Для измерения коэффициента вязкости жидкостей с невысокой вязкостью применяется метод капиллярного вискозиметра, основанный на измерении скорости течения жидкости в капиллярной трубке.

14. Ламинарное, турбулентное течение жидкости. Число Рейнольдса

Стационарное течение жидкости является слоистым или ламинарным. Для него справедливы уравнения Бернулли и Пуазейля.

Пуазейля



Ламинарное течение устанавливается в трубах с гладкими стенами, без резких изменений площади сечения и изгибов трубы, а так же при высоких скоростях течение переходит в турбулентное: скорости частиц жидкости при этом беспорядочно меняются, образуя местные завихрения - происходит перемешивание жидкости. Характерными для турбулентного течения являются местные изменения давления в жидкости, вызывающие колебательное движение частиц, сопровождающееся звуковыми явлениями, благодаря которым турбулентное течение легко обнаруживается. Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости: часть энергии расходуется на беспорядочное движение, направление которого отличается от основного направления потока, что в случае крови приводит к дополнительной работе сердца. Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностирования заболевания. Этот шум прослушивается, например, на плечевой артерии при измерении давления крови.

Понятия ламинарности и турбулентности применимы как к течению жидкости по трубам, так и к обтеканию ею различных тел. В обоих случаях характер течения зависит от скорости течения, свойств жидкости и характерного линейного размера трубы или обтекаемого тела и определяется числом Рейнольдса, которое для трубы диаметром D выражается следующей формулой:

Здесь с - плотность жидкости; з - коэффициент динамической вязкости; н - скорость потока; d - характерный линейный размер трубы или тела, обтекаемого жидкости.

Условием ламинарности течения является выполнение неравенства:



Где - критическое значение, зависящее от формы сечения трубы или от формы обтекаемого тела.

Критическое значение определяется опытным путем. Так, для течения в длинных цилиндрических трубах , а характерный линейный размер d равен диаметру трубы (D):

Течение крови в артериях в норме является турбулентным, небольшая турбулентность возникает вблизи клапанов. При патологиях, когда вязкость крови бывает меньше нормы, число Рейнольдса может превысить критическое значение и движение станет турбулентным.

15. Механические колебания: виды колебаний, форма, параметры. Гармонические колебания. Шкала механических колебаний

Колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. Повторяющиеся процессы непрерывно происходят внутри любого живого организма, например: сокращения сердца, работа легких; мы дрожим, когда нам холодно; мы слышим и разговариваем благодаря колебаниям барабанных перепонок и голосовых связок; при ходьбе наши ноги совершают колебательные движения.

Периодическими называют такие колебания, при которых все характеристики движения повторяются через определенный промежуток времени.

Для периодических колебаний используют следующие характеристики:

* период колебаний Т, равный времени, в течение которого совершается одно полное колебание;

* частота колебаний н, равная числу колебаний, совершаемых за одну секунду (н = 1/Т);

* амплитуда колебаний А, равная максимальному смещению от положения равновесия.

Особое место среди периодических колебаний занимают гармонические колебания.

Гармонические колебания - это колебания, при которых наблюдаемая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса:

В математике функции этого вида называют гармоническими, поэтому колебания, описываемые такими функциями, тоже называют гармоническими.

Положение тела, совершающего колебательное движение, характеризуется смещением относительно равновесного положения. В этом случае величины, входящие в формулу, имеют следующий смысл:

х - смещение тела в момент времени t;

А - амплитуда колебаний, равная максимальному смещению;

щ - круговая частота колебаний (число колебаний, совершаемых за 2р секунд), связанная с частотой колебаний соотношением

ц = (щt +ц0) - фаза колебаний (в момент времени t); ц0 - начальная фаза колебаний (при t = 0).

Свободными или собственными называются такие колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе, после того как она была выведена из положения равновесия.

Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити. Для того чтобы вызвать колебания, нужно либо толкнуть шарик, либо, отведя в сторону, отпустить его. При толчке шарику сообщаетсякинетическая энергия, а при отклонении - потенциальная.

Свободные колебания совершаются за счет первоначального запаса энергии.

Свободные незатухающие колебания

Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. В противном случае первоначальный запас энергии будет расходоваться на ее преодоление, и размах колебаний будет уменьшаться.

Свободные затухающие колебания

Силы трения, действующие в реальных системах, существенно изменяют характер движения: энергия колебательной системы постоянно убывает, и колебания либо затухают, либо вообще не возникают.

Сила сопротивления направлена в сторону, противоположную движению тела, и при не очень больших скоростях пропорциональна величине скорости

Вынужденные колебания, резонанс

Свободные колебания при наличии сил трения являются затухающими. Незатухающие колебания можно создать с помощью периодического внешнего воздействия.

Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается воздействию внешней периодической силы (ее называют вынуждающей силой).

Резонансом называется достижение максимальной амплитуды вынужденных колебаний при определенном значении частоты вынуждающей силы.

Вибрация - вынужденные колебания тела, при которых либо все тело колеблется как единое целое, либо колеблются его отдельные части с различными амплитудами и частотами.

Существуют такие системы, которые сами регулируют периодическое восполнение потерянной энергии и поэтому могут колебаться длительное время.

Автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые внешним источником энергии, поступление которой регулируется самой колебательной системой.

Системы, в которых возникают такие колебания, называются автоколебательными. Амплитуда и частота автоколебаний зависят от свойств самой автоколебательной системы.

Шкала механических волн. В соответствии с частотой механические волны делятся на различные диапазоны

Таблица 1

16. Механические волны. Уравнение волны. Вектор умова

Механические волны - процесс распространения механических колебаний в среде (жидкой, твердой, газообразной).

Следует запомнить, что механические волны переносят энергию, форму, но не переносят массу.

Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно, их скорость конечна.

Различают два вида механических волн: поперечные и продольные.

1.Поперечные волны:

Волны называются поперечными, если частицы среды колеблются перпендикулярно (поперек) лучу волны. Они существуют в основном за счет сил упругости, возникающих при деформации сдвига, а поэтому существуют только в твердых средах.

На поверхности воды возникают поперечные волны, так как колеблется граница сред.

В поперечных волнах различают горбы и впадины.

Длина поперечной волны - расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами.

2.Продольные волны:

Волны называются продольными, если частицы среды колеблются вдоль луча волны. Они возникают за счет деформации сжатия и напряжения, поэтому существуют во всех средах.

В продольных волнах различают зоны сгущения и зоны разряжения.

Длина продольной волны - расстояние между двумя ближайшими зонами сгущения или зонами разряжения.

Интенсимвность -- скалярная физическая величина, количественно характеризующая поток энергии, переносимой волной в некотором направлении. Численно интенсивность равна количеству энергии, переносимому через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению потока энергии, усреднённому за период волны. В математической форме это может быть выражено следующим образом:

Вектор Умова

Численное значение вектора плотности потока энергии определяется следующим образом:

Где - энергия, переносимая за время через площадку , перпендикулярную к направлению переноса энергии. Другими словами, этот вектор численно равен мощности передаваемой через единичную нормальную к направлению распространения энергии площадку. Направление вектора совпадает с направлением распространения энергии волны.

Через площадку за время будет перенесена энергия заключенная в цилиндре с основанием и высотой (v - фазовая скорость волны, рис.4). Если размеры цилиндра достаточно малы (за счет малостии) для того, чтобы плотность энергии во всех точках цилиндра можно было считать одинаковой, томожно найти как произведение плотности энергии w на объем цилиндра, равныйv, тогда

Подставив это выражение в (8.12), получим

Рис. 4

Рассматривая фазовую скорость v как вектор, направление которого совпадает с направлением распространения волны (и переноса энергии), можно написать



Эта величина носит название вектора плотности потока энергии. Вектор плотности потока энергии был впервые введен определен русским ученым Н.А. Умовым и называется вектором Умова.

Вектор Умова, как и плотность энергии w различен в разных точках пространства. Среднее по времени значение плотности потока энергии равно:

17. Звук. Тон простой и сложный. Акустический спектр. Физические и физиологические параметры звука. Связь между ними

Звук- это механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах воспринимаемых человеческим ухом, в среднем от 16 до 20000 Гц.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон -это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум- это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

Звуковой удар- это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

Акустический спектр тона- это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Наименьшая частота в спектре (н) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2н, 3н, 4н, ... Акустический спектр шума является сплошным.

Физические характеристики звука

1.Скорость(v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

где R - универсальная газовая постоянная: г - отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме.

От давления скорость звука не зависит.

Для воздуха (М=0,029 кг/моль, г = 1,4) в интервале температур -50 °С- + 50 °С можнос пользоваться приблежонной формулой

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2.Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление(ДС)-это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3.Интенсивность звука(I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной.

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ДС) выражается следующей формулой:

где с - плотность среды; v- скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Рассмотрим основные характеристики звука:

1)Субъективные характеристики звука - характеристики, зависящие от свойств приемника:

- громкость. Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне.

- тон (высота тона). Определяется частотой колебаний.

- тембр (окраска звука).

Закон Вебера-Фехнера - эмпирический психофизиологический закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности стимула. Если разряжение увеличивать в геометрической последовательности, то ощущение увеличится в арифметической.

18. Психофизический закон Вебера-Фухнера. Шкалы оценки ощущения громкости

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота, тембр

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности звука (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр- это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звука

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера:

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Именно логарифмическая функция обладает такими свойствами.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I₀установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука наопорной частоте.

Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.

Единицу громкости звука называют фоном.

Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.

Таблица 2

Кривые равной громкости

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости. Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности LдБ от частоты н звука при заданной громкости звука.

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Она позволяет найти пороговое значение уровня интенсивности (Е = 0) при заданной частоте тона.

С помощью кривых равной громкости можно найти громкость звука, если известны его частота

19. Акустическая среда. Распространение звука в различных акустических средах. Акустическое сопротивление, коэффициент проникновения через границу раздела сред. Реверберация

Среда акустическая - совокупность звуков природного и техногенного происхождения в пределах слышимости человеком. Распространение звуках.

Законы распространения звука

К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу - угол отражения равен углу падения - с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

Звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают.

Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя».

Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.

В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.

Скорость распространения звука

Чем выше упругость среды, тем больше скорость. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения и наоборот.

Удельное акустическое сопротивление упругой среды -- величина, равная отношению амплитуды звукового давления в среде к колебательной скорости её частиц при прохождении через среду звуковой волны:

 Единица измерения -- паскаль-секунда на метр (Па*с/м)

Реверберация -- это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях

При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами звук частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Интенсивности отраженной и прошедшей через границу волн определяются соответствующими коэффициентами.

20. Строение и функции наружного и среднего уха. Роль барабанной перепонки, слуховых косточек и евстахиевой трубы в звукопроведении

Ухо -- сложный вестибулярно-слуховой орган, который выполняет две функции: воспринимает звуковые импульсы и отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами.

Ухо человека воспринимает звуковые волны длиной примерно от 20 м до 1,6 см, что соответствует 16 -- 20 000 Гц (колебаний в секунду).Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина -- сложной формы упругий хрящ, покрытый кожей, его нижняя часть, называемая мочкой,- кожная складка, которая состоит из кожи и жировой ткани.

Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна. Но вот многие звери, поводя ушами, способны гораздо точнее, чем человек, определить нахождение источника звука.

Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов.

Функция ушной раковины -- улавливать звуки; ее продолжением является хрящ наружного слухового прохода, длина которого в среднем составляет 25-30 мм. Хрящевая часть слухового прохода переходит в костную, а весь наружный слуховой проход выстлан кожей, содержащей сальные, а также серные железы, представляющие собой видоизмененные потовые. Этот проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания. В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.

Среднее ухо Основной частью среднего уха является барабанная полость -- небольшое пространство объемом около 1смі, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко -- они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их.Слуховые косточки -- как самые маленькие фрагменты скелета человека, представляют цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком -- со стремечком. Основание стремечка закрывает окно преддверия, соединяясь таким образом с внутренним ухом.

Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки. При изменении внешнего давления иногда «закладывает» уши, что обычно решается тем, что рефлекторно вызывается зевота. Опыт показывает, что ещё более эффективно заложенность ушей решается глотательными движениями или если в этот момент дуть в зажатый нос.

Барабанная перепонка -- тонкая, непроницаемая для воздуха и жидкости мембрана, разделяющая наружное и среднее ухо. Служит для передачи звуковых колебаний во внутреннее ухо, а также препятствует попаданию в барабанную полость инородных тел.Имеется у наземных позвоночных (за исключением хвостатых и безногих земноводных, роющих змей)[1]. У людей расположена в глубине наружного слухового прохода.

Евстахиева труба -- канал, сообщающий полость среднего уха с глоткой. Морфологически Евстахиева труба представляет часть жаберной щели, а физиологически служит для уравновешивания разницы атмосферного давления извне и в полости среднего уха.

Слуховых косточек три: молоточек, наковальня и стремечко. Все они соединены между собою очень совершенными сочленениями (истинные суставы) в виде очень подвижной цепи - от перепонки до овального окна - и служат для передачи на лабиринт звуковых волн, особенно для низких тонов.

Функция среднего уха: Полость среднего уха. Важным условием для правильной работы звукопроводящей системы является наличие одинакового давления по обе стороны барабанной перепонки. При повышении или понижении давления как в полости среднего уха, так и в наружном слуховом проходе натяжение барабанной перепонки меняется, акустическое (звуковое) сопротивление повышается и слух понижается. Выравнивание давления по обе стороны барабанной лерепонки обеспечивается вентиляционной функцией слуховой трубы. При акте глотания или зевания слуховая труба открывается и становится проходимой для наружного воздуха в полость среднего уха. Учитывая, что слизистая оболочка среднего уха постепенно всасывает воздух, нарушение вентиляционной функции слуховой трубы ведет к превышению наружного давления над давлением в среднем ухе, что вызывает втяжение барабанной перепонки внутрь. В связи с этим нарушается звукопроведение и возникают патологические изменения в среднем ухе.

21. Строение улитки. Распространение волн в замкнутых гидромеханических средах. Механизм звукопроведения в улитке

Улитка является полым костным образованием длиной 35 мм и имеет форму конусообразной спирали, содержащей 2,5 завитка.

Сечение улитки показано на рис. 5.

По всей длине улитки вдоль нее проходят две перепончатые перегородки, одна из которых называется вестибулярной мембраной, а другая -основной мембраной. Пространство между ними - улитковый ход - заполнено жидкостью, называемой эндолимфой.

Рис. 5. Схематическое строение улитки, содержащей каналы: В - вестибулярный; Б - барабанный; У - улитковый; РМ - вестибулярная (рейснерова) мембрана; ПМ - покровная пластина; ОМ - основная (базилярная) мембрана; КО - кортиев орган

Вестибулярный и барабанный каналы заполнены особой жидкостью - перилимфой. В верхней части улитки они соединяются между собой. Колебания стремечка передаются мембране овального окна, от нее перилимфе вестибулярного хода, а затем через тонкую вестибулярную мембрану - эндолимфе улиточного хода. Колебания эндолимфы передаются основной мембране, на которой находится кортиев орган, содержащий чувствительные волосковые клетки (около 24 000), в которых возникают электрические потенциалы, передаваемые по слуховому нерву в мозг.

Барабанный ход заканчивается мембраной круглого окна, которая компенсирует перемещения перелимфы.

Длина основной мембраны приблизительно равна 32 мм. Она очень неоднородна по своей форме: расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки. Вследствие этого модуль упругости основной мембраны вблизи основания улитки примерно в 100 раз больше, чем у вершины.

Теория Бекеши

Волны разной частоты распространяются в улитке по-разному. Если взять замкнутую гидромеханическую систему, заполненную жидкостью по соответственному строению каналов улитки и подействовать волной: высокой частоты, то режущая волна возникает в основании улитки; средней частоты - посередине; нижней - в конце.

22. Физические основы звуковых методов исследования в клинике: перкуссия, аускультация, аудиометрия. Построение кривой порога слышимости и аудиограммы с помощью аудиометра-АА-02

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом его главное значение. Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работающих машин многое сообщают нам. Чтобы представить значение звука для человека, достаточно временно лишить себя возможности воспринимать звук - закрыть уши. Естественно, что звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний - аускультация (выслушивание). Для ау-скультации 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 ау-скультация. При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода.

Для одновременного выслушивания больного несколькими исследователями с учебной целью или при консилиуме используют систему, в которую входят микрофон, усилитель и громкоговоритель или несколько телефонов.

Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заклю16б чается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия. При этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при их простукивании. 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 расположение (тонографию) внутренних органов.

Аудиометрия позволяет выявить нарушения слуха. Существует несколько методов, с помощью которых можно оценить степень и характер глухоты, а также получить сведения о причинах глухоты. Аудиометрия уха является одним из этих методов.

Показания для применения аудиометрии

· Нарушения слуха.

· Жалобы на плохую слышимость.

· Периодическая боль в ухе.

Родители должны следить за развитием слуха у ребенка и регулярно его проверять, например, находясь рядом с ребенком, можно хлопнуть в ладоши - ребенок с нормальным слухом обязательно отреагирует на это.

Как проводят аудиометрию?

Аудиометрию проводят при помощи специального прибора - аудиометра. Аудиометр -- это электронный прибор для определения порога слышимости на различных звуковых частотах. Аудиометр применяется для:

· Проведения тональной пороговой аудиометрии.

· Дифференциации поражений слуха.

· Проверки речевого восприятия (речевая аудиометрия).

· Объективных исследований слуха.

Тональная пороговая аудиометрия

Это часто проводимое аудиометрическое исследование. В ходе тональной пороговой аудиометрии изучается восприятие пациентом тонов разной высоты. Исследуется так называемая воздушная и костная проводимость. В специальной звукозаглушенной камере, на частотах от 125 до 8000 Гц, определяется минимальная интенсивность звука, которая вызывает слуховое ощущение. Интенсивность звука постепенно увеличивают (каждый раз на 5 децибелов). Если пациент воспринимает тон заданной высоты, то он нажимает на кнопку или делает знак головой. На основе результатов исследования составляется аудиограмма - кривая, представляющая собой попытки определения абсолютного слухового порога при различных частотах. Если слух нарушен, в этом случае кривая отклоняется от кривой нормального слуха (допустимая нижняя граница составляет 15 Дб). Анализ отклонений позволяет врачу поставить диагноз: кривая воздушной проводимости предоставляет сведения о поражениях среднего уха, а кривая костной проводимости показывает функцию внутреннего уха.

В случае потери слуха определить сразу, какая именно система поражена, затруднительно. Для дифференциальной диагностики важны т.н. надпороговые тесты. Применение этих тестов (например, теста Фоулера, Лангенбека или шумового теста) позволяет определить, сопровождается ли потеря слуха поражением «волосатых клеток» ушного лабиринта, а также слухового или преддверно-улиткового нерва.

23. Инфразвук: естественные и искусственные источники, свойства, механизм влияния на ЦНС

Инфразвук - упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 16-20 Гц. Нижняя частотная граница инфразвука неопределенна; в настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц.

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной средах, а также в земной коре (сейсмические волны). Основная особенность инфразвука, обусловленная его низкой частотой, - малое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько децибел. Известно, что звуки извержений вулканов и атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара. Из-за большой длины волны мало и рассеяние инфразвука. В естественных средах заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты - холмы, горы, высокие здания.

Естественными источниками инфразвука являются метеорологические, сейсмические и вулканические явления. Инфразвук генерируется атмосферными и океаническими турбулентными флуктуациями давления, ветром, морскими волнами (в том числе и приливными), водопадами, землетрясениями, обвалами.

Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолетов, удары копров, работа реактивных двигателей и др. Инфразвук содержится в шуме двигателей и технологического оборудования. Вибрации зданий, создаваемые производственными и бытовыми возбудителями, как правило, содержат инфразвуковые компоненты. Существенный вклад в инфразвуковое загрязнение среды дают транспортные шумы. Например, легковые автомобили на скорости 100 км/ч создают инфразвук с уровнем интенсивности до 100 дБ. В моторном отделении крупных судов зарегистрированы инфразвуковые колебания, создаваемые работающими двигателями, с частотой 7-13 Гц и уровнем интенсивности 115 дБ. На верхних этажах высотных зданий, особенно при сильном ветре, уровень интенсивности инфразвука достигает 100 дБ.

Инфразвук почти невозможно изолировать - на низких частотах все звукопоглощающие материалы практически полностью теряют свою эффективность.

Воздействие инфразвука на человека

На человека инфразвук оказывает, как правило, отрицательное действие: вызывает угнетенное настроение, усталость, головную боль, раздражение. У человека, подвергнутого воздействию инфразвука низкой интенсивности, появляются симптомы «морской болезни», тошнота, головокружение. Появляется головная боль, повышается утомляемость, слабеет слух.

Существует предположение, что различные аномалии в состоянии людей при плохой погоде, объясняемые климатическими условиями, являются на самом деле следствием воздействия инфразвуковых волн.

При средней интенсивности (140-155 дБ) могут наступать обмороки, временная потеря зрения. При больших интенсивностях (порядка 180 дБ) может наступить паралич со смертельным исходом.

Предполагают, что негативное влияние инфразвука связано с тем, что в инфразвуковой области лежат частоты собственных колебаний некоторых органов и частей тела человека. Это вызывает нежелательные резонансные явления. Укажем некоторые частоты собственных колебаний для человека:

* тело человека в положении лежа - (3-4) Гц;

* грудная клетка - (5-8) Гц;

* брюшная полость - (3-4) Гц;

* глаза - (12-27) Гц.

Особенно вредно воздействие инфразвука на сердце. При достаточной мощности возникают вынужденные колебания сердечной мышцы. При резонансе (6-7 Гц) их амплитуда возрастает, что может привести к кровоизлиянию.

24. Ультразвук: способы получения (обратный пьезоэффект, магнитострикция), свойства, механизм влияния на биообъекты. Применение в медицине

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20x10³Гц (20 кГц) и до 10⁹Гц (1 ГГц).

Излучатели ультразвука

Для получения ультразвука в медицине используют обратный пьезоэлектрический эффект. Он состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца, под действием электрического поля деформируется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подаются 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 частицами окружающей среды, что и порождаются ультразвуковую волну.

Некоторые материалы способны изменять свои размеры в магнитном поле. Это явление, получившее название магнитострикции, принципиально не отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используются описанные выше явления, называют пьезоэлектрическими.

Свойства ультразвука:

1) Поглощение ультразвука в веществе.

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы (в воздухе ~ 340 м/с, в воде и мягких тканях ~ 1500 м/с). Однако высокая интенсивность и малая длина УЗ-волн порождают ряд специфических особенностей.

При распространении УЗ в веществе происходит необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в основном в теплоту. Это явление называется поглощением звука. Уменьшение амплитуды колебания частиц и интенсивности УЗ вследствие поглощения носит экспоненциальный характер:

где А, А₀- амплитуды колебаний частиц среды у поверхности вещества и на глубине h; I, I₀- соответствующие интенсивности УЗ-волны; б -коэффициент поглощения, зависящий от частоты УЗ-волны, температуры и свойств среды.

Коэффициент поглощения -обратная величина того расстояния, на котором амплитуда звуковой волны спадает в «е» раз.

Чем больше коэффициент поглощения, тем сильнее среда поглощает ультразвук.

Коэффициент поглощения (б) растет при увеличении частоты УЗ. Поэтому затухание УЗ в среде во много раз выше, чем затухание слышимого звука.

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения(Н), которая связана с ним обратной зависимостью (Н = 0,347/б).

2) Отражение ультразвука. Звуковидение

Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Однако эти явления заметны лишь в том случае, когда размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны. Длина УЗ-волны существенно меньше длины звуковой волны (л =v/н).Так, длины звуковой и ультразвуковой волн в мягких тканях на частотах 1 кГц и 1 МГц соответственно равны: л = 1500/1000 = 1,5 м; = 1500/1 000 000 = 1,5х10^-3м = 1,5 мм. В соответствии со сказанным, тело размером 10 см практически не отражает звук с длиной волны с л = 1,5 м, но является отражателем для УЗ-волны с л = 1,5 мм.

Эффективность отражения определяется не только геометрическими соотношениями, но и коэффициентом отражения r, который зависит от отношения волновых сопротивлений сред х:

Для значений х, близких к 0, отражение является практически полным. Это является препятствием для перехода УЗ из воздуха в мягкие ткани (х = 3х10^-4,r= 99,88%). Если УЗ-излучатель приложить непосредственно к коже человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. В данном случае малые значениях играют отрицательную роль. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение. Напротив, для обнаружения неоднородностей в среде малые значениях являются положительным фактором.

Биологическое действие ультразвука определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/см²) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Ультразвуковые волны малой и средней интенсивности вызывают в живых тканях положительные биологические эффекты, стимулирующие протекание нормальных физиологических процессов.

УЗ большой интенсивности (3-10 Вт/см²) оказывает вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. Высокая интенсивность ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Длительные интенсивные воздействия ультразвуком могут привести к перегреву биологических структур и к их разрушению (денатурация белков и др.). Воздействие интенсивного ультразвука может иметь и отдаленные последствия. Например, при длительных воздействиях УЗ частотой 20-30 кГц, возникающих в некоторых производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной системы, повышается утомляемость, существенно поднимается температура, возникают нарушения органа слуха.

Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике

Деформации под воздействием УЗ используются при измельчении или диспергировании сред.

Явление кавитации используется для получения эмульсий несмешивающихся жидкостей, для очистки металлов от окалины и жировых пленок.

УЗ-терапия

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.

УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая - с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.

УЗ-диагностика

Ультразвуковая диагностика - совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука. Физической основой УЗ-диагностики является зависимость параметров распространения звука в биологических тканях (скорость звука, коэффициент затухания, волновое сопротивление) от вида ткани и ее состояния. Для диагностических целей используется УЗ частотой от 0,8 до 15 МГц. Низкие частоты применяются при исследовании глубоко расположенных объектов или при исследовании, проводимом через костную ткань, высокие - для визуализации объектов, близко расположенных к поверхности тела, для диагностики в офтальмологии, при исследовании поверхностно расположенных сосудов.

25. Электрогенез миокарда серца: ПД мионоцитов желудочков. Механизм их возникновения, форма кривой, фазы

Клетки миокарда обладают возбудимостью, но им не присуща автоматия. В период диастолы мембранный потенциал покоя этих клеток стабилен, и его величина выше (80--90 мВ), чем в клетках водителей ритма. Потенциал действия в этих клетках возникает под влиянием возбуждения клеток водителей ритма, которое достигает кардиомиоцитов, вызывая деполяризацию их мембран.

Рис. 6

Потенциал действия клетки рабочего миокарда. Быстрое развитие деполяризации и продолжительная реполяризация. Замедленная реполяри-зация (плато) переходит в быструю реполяризацию. Потенциал действия клеток рабочего миокарда состоит из фазы быстрой деполяризации, начальной быстрой реполяризации, переходящей в фазу медленной реполяризации (фаза плато), и фазы быстрой конечной реполяризации

...