15 Bio Akus Tika

D. Ger{anovski: Predavawa po biofizika

7. BIOAKUSTIKA

Predmet na akustikata se svojstvata na branovite vo {irok frekventen dijapazon, od najmali frekvencii sî do 1013 Hz. Poradi {irokiot krug problemi {to gi obrabotuva, sovremenata akustika uslovno e podelena na fizi~ka akustika kade se izu~uvaat problemite na prostirawe na elasti~nite branovi vo razli~ni sredini i fiziolo{ka akustika {to gi izu~uva gradbata i rabotata na organite za priem i pretvorba na zvukot kaj ~ovekot i ìvotnite.

Bioakustikata e {iroka nau~na oblast kade {to se prou~uvaat bio-akusti~nite svojstva na biolo{kite sistemi: postanok, svojstva i registracija na zvukot, vlijanie na zvu~nite i ultrazvu~nite branovi na biolo{kite sistemi, postanok i registracija na drugi mehani~ki branovi, medicinska dijagnostika i terapija so pomo{ na zvuk i ultrazvuk kako i dejstvoto na zvukot vrz ìviot svet. Ova e va`no od prosta pri~ina {to golem broj na informacii za neposrednata okolina ~ovekot gi dobiva preku zvukot i toa mu pomaga vo ostvaruvaweto na normalnite funkcii i aktivnosti vo taa sredina.

7.1. OSCILACII I BRANOVI.

7.1.1.. Kinematika i dinamika na oscilatornite dvièwa.

Oscilatorno dvièwe pretstavuva povtoruvawe na dvièweto ili polo`bata na telata po edna ista traektorija vo odredeno vreme. Vo prirodata postojat mnogu primeri za takvi dvièwa: ni{aloto na ~asovnikot, rabotata na srceto, oscilacii na atomite i molekulite okolu svojata ramnote`na polo`ba, oscilacii na ~esti~kite na materijalnata sredina niz koja se {iri zvukot, prostirawe na elektromagnetni branovi, naizmeni~na struja itn.

Periodi~nite oscilatorni dvièwa se vr{at pod dejstvo na sila koja dejstvuva vo nasoka kon ramnote`nata polo`ba, povratna sila. Kaj mehani~kite dvièwa povratna sila e elasti~nata sila:

F = -k x (7.1)

k e koeficient na elasti~nosta, x e iznos na deformacijata na sredinata.

Sekoja druga sila {to se opi{uva sli~no na gorniot izraz, moè da bide pri~ina za oscilato-rni dvièwa na sis-temite. Za vakvite sili se veli deka se kvazielasti~ni sili. Pod dejstvo na ovie sili doa|a do oscila-

47

sl.7.1


cii na jonite vo kristalnite re{etki, promena na naponot na elektri~nata struja, oscilirawe na ni{ala zaka~eni na elasti~ni pruìni itn.

Najednostavna forma na oscilirawe pretstavuvaat harmoniskite oscilacii kade oscilatornite veli~ini se menuvaat po zakonot na sinus ili kosinus. Tie moàt da se pretstavat matemati~ki bidej}i nivnoto dvièwe e sli~no so dvièwe na materijalna to~ka po kru`nica so konstantna brzina. Na slikata 7.1 e pretstaveno rotiraweto na materijalna to~ka po kru`nica so radius A vo sprotivna nasoka na strelkite na ~asovnikot so brzina i agolna brzina Proekcijata na mestopolo`bata na materijalnata to~ka na Y–oskata e elongacija y. Maksimalnata vrednost {to moè da ja ima elongacijata e amplituda A.

Od grafikot se gleda deka y/A=sin; y=Asint bidej}i e faza na oscilirawe, t vreme od po~etokot na osciliraweto. Ako T e period na oscilirawe (vreme za koe }e se izvr{i edna polna oscilacija), vrskata e:

(7.2)

Brojot na polni oscilacii {to se vr{at vo 1 y e frekvencija ili ~estota f. Edinica za frekvencija e herc (Hz). Vrskata me|u niv e:

(7.3)

Imaj}i go toa predvid, elongacijata se menuva so tekot na vremeto:

(7.4)

Zavisnosta na y od vremeto t e prikaàna na gorniot grafik. Funkcijata sint e periodi~na funkcija koja prima vrednosti vo intervalot (-1,+1). Vo slu~aj koga za t=0 postoi nekoja po~etna faza 0, toga{ prethodnava relacija go ima oblikot:

(7.5)Za celosen opis na dvièweto na telo {to oscilira, treba da se

poznati matemati~kite izrazi za brzinata (prv izvod na elongacijata po vremeto) i zabrzuvaweto (vtor izvod po vremeto):

(7.6)

(7.7)

prikaàni na sl. 7.2Ako se ima predvid deka e =const i osnovnata ravenka na

dinamikata F=ma, oscilatornoto dvièwe se vr{i pod dejstvo na sila:

F = -my= -k y (7.8)

Od ovde proizleguva deka silata {to dejstvuva pri oscilatornite dvièwa ima elasti~na priroda. Energijata na harmoniskite oscilatorni dvièwa, periodi~no se menuva. Pri maksimalna elongacija y=A, koga v=0, potencijalnata energija ima maksimalna vrednost, a kineti~kata e ednakva na nula. Koga e Y=0, v=vmax, potencijalnata energija ima nulti

48


vrednosti, a kineti~kata maksimalni.

Sl.7.2

Kineti~kata energija na telo so masa m i brzina v e dadena so: E=mv2/2, a spored izveduvawata, za oscilatornite dvièwa }e bide:

(7.9)

a za maksimalnata vrednost:

(7.10)

Potencijalnata energija e dadena so relacijata:

(7.11)

a za nejzinata maksimalna vrednost, zemaj}i pri toa predvid deka k=mvidi relacija 7.8), se dobiva:

(7.12)

Vo bilo koj moment (spored zakonot za zapazuvawe na energijata), vkupnata mehani~ka energija na sistemot koj oscilira, }e bide ednakva na zbirot od potencijalnata i kineti~kata energija:

Evk = Ek + Ep = m A2 (sin2t + cos2t) (7.13)

ili:

E = mA2 = 2 mA2f

Ako se izdvojat konstantnite vrednosti i obeleàt so S, toga{:

E = CA2f 2 (7.15)

t.e. vkupnata energija na sistemot koj vr{i harmoniski oscilacii e proporcionalna so kvadratot na frekvencijata f i amplitudata A.

49


7.2. BRANOV PROCES. RAVENKA NA BRAN.

Koga materijalna sredina }e dojde vo kontakt so nekoj oscilatoren sistem ili nekoi to~ki vo nea se predizvikani da osciliraat, zapo~nuva t.n branov proces na {irewe na takvite oscilacii. [ireweto na oscilaciite e mo`no poradi postoewe na elasti~ni vrski me|u ~esti~kite {to osciliraat i nivnata okolina. Najprvin }e po~nat da osciliraat onie ~esti~ki {to se najblisku do izvorot na oscilacii, a potoa sosednite ~esti~ki, itn. Zaradi kone~nata brzina na prostiraweto na deformaciite vo sredinata, ~esti~kite {to otposle gi prifa}aat oscilaciite, osciliraat so fazno zadocnuvawe.

Branovite moè da se podelat spored osciliraweto:-transverzalni, oscilaciite se vo ramnina koja e normalna na nasokata vo koja se prostira branot ( sl.7.3) i -longitudinaln, oscilaciite se vo ista ramnina i vo ista nasoka na

prostirawe na branot.Za vreme t=T prvata ~esti~ka }e napravi edna polna oscilacija i }e se najde povtorno vo prvobitnata polo`ba. Branot za toa vreme }e

izmine pat vT koj se narekuva branova dolìna

=vT (7.16)

So drugi zborovi branovata dolìna pretstavuva rastojanie me|u dve to~ki koi {to osciliraat vo faza. Ako se iskoristi vrskata me|u frekvencijata i periodot T=1/f , za brzina na prostirawe na branot se dobiva:

v= f (7.17)

Koga branot }e dojde do nekoe rastojanie x, }e izmine nekoe vreme koe e ednakvo na =x/v. Zna~i, ~esti~kite {to se na rastojanie x od koordinatniot po~etok, }e po~nat da osciliraat podocna za vreme od onie koi se na po~etokot koga x=0. Spored ova, ravenkata na branot }e bide zadadena kako:

(7.18)

Ako se zamenat izrazite za =2/T i za =vT, ravenkata za branot moè da se zapi{e vo oblik:

(7.19)

Sl.7.3

50


Bidej}i k=2 / , k se narekuva branov broj, se dobiva kone~niot oblik za ravenka na bran:

(7.20)

7.3. ZVU^NI BRANOVI

Zvu~nite branovi pretstavuvaat mehani~ki longitudinalni branovi koi nastanuvaat kako rezultat na prenesuvawe na mehani~kite oscilacii od zvu~niot izvor na okolnata elasti~na sredina. Toa e vsu{nost oscilirawe na samite ~estici na sredinata niz koja se prostira branot. [ireweto na zvu~nite branovi se ostvaruva preku elasti~nite sili koi postojat me|u ~esti~kite na sredinata. Oblasta na zvu~ni branovi {to gi registrira ~ove~koto uvo e vo dijapazon 16-20.000 Hz.

Spored na~inot na oscilirawe, se razlikuvaat tri vidovi na zvuk: tonovi (prosti i sloèni), {umovi (bu~avi) i tresoci (zvu~ni udari).

Tonovi se narekuvaat zvucite koi nastanuvaat so periodi~no oscilirawe na izvorot. Tie imaat to~no odredena frekvencija {to ja opredeluva visinata na tonot. Taka na primer, frekvencijata na osnovniot ton “do” e 261,63 Hz, na tonot “la” 440 Hz, na gornoto “do” 523,25Hz. Zvu~niot spektar na site tonovi {to ~ovekot moè da gi ~ue se deli na 11 oktavi. Pod oktava se podrazbira intervalot na zvukot me|u dva tona od koi povisokiot ima dva pati pogolema frekvencija. Tonovite od sekoja oktava potoa se podeleni na sedum stepeni.

Ako osciliraweto e harmonisko, nastanuvaat prosti ili ~isti tonovi, a ako e anharmonisko nastanuvaat sloèni tonovi koi moàt da se razloàt na prosti tonovi. Najmalata frekvencija na takviot razloèn ton odgovara na osnovniot ton, a ostanatite povisoki tonovi se narekuvaat harmonici (overton) ~ii frekvencii se celobrojni vrednosti (2, 3..., itn) od najmalata (osnovna) frekvencija. Zbirot na site prosti tonovi so odredeni frekvencii i amplitudi go pravi akusti~niot spektar. Prostite tonovi nastanuvaat pri oscilirawe na zategnata ìca, metalna {ipka, vozdu{en stolb itn, dodeka sloènite tonovi gi proizveduvaat muzi~kite istrumenti, govorniot aparat na ~ovekot, ìvotnite, itn.

Na sl. 7.4 e prikaàn akusti~en spektar na zvuk so ista frekvencija 100 Hz proizveden od dva razli~ni duva~ki instrumenti; truba (a) i klarinet (b).

51


Sl. 7.4

[umovi se zvuci koi nastanuvaat so sloèno neperiodi~no oscilirawe na izvorot i tie se neperiodi~ni, promenlivi i sloèni tonovi. Nastanuvaat pri glasen govor na lu|eto, rabota na ma{inite, vo soobra}ajot itn. [umovite ne moàt da se razloàt vo spektar od harmonici, bidej}i tie se pretstavuvaat so neprekinata funkcija od frekvencijata so nepravilen oblik.

Zvu~niot udar pretstavuva sloèn zvu~en bran koj naglo se sozdava (pukawe od pu{ka, eksplozija ili bilo koj udar) i brgu dostignuva maksimalen intenzitet, a potoa isto taka brgu iz~eznuva bez da se povtori.

7.3.1 Fizi~ki karakteristiki na zvu~nite branovi

Fizi~ki karakteristiki na zvu~nite branovi se brzina na prostirawe, intenzitet (ja~ina) i nivo na ja~ina na zvukot.

Brzinata na zvu~nite branovi zavisi od gustinata i elasti~nite svojstva na sredinata. Elasti~nosta vo vozduhot e opredelena od atmosfer-skiot pritisok. Vo tvrdite tela moè da se {irat i longitudinalni i transverzalni akusti~ki branovi. Vo fluidite (te~nosti i gasovi) se pros-tiraat samo longitudinalni branovi ~ija brzina e dadena so relacijata:

(7.21)

K e modul na volumenskata deformacija, e gustina na sredinata.Brzinata na zvu~nite branovi zavisi od temperaturata na

vozduhot. Promenata na temperaturata, spored gasnite zakoni, doveduva do promena na gustinata i pritisokot. Taka, na primer, brzinata na zvukot pri 00S e 331,5 m/s, a pri 180S e 340 m/s.

Brzinata na zvukot vo te~nost e pogolema od onaa vo vozduhot. Vo vodata na primer, iznesuva okolu 1450 m/s, vo tvrdite tela e u{te pogole-ma. Vo biolo{kite meki tkiva brzinata na akusti~kite branovi e 1600m/s, vo mozo~nata struktura ~1540m/s, a vo koskite okolu 4000m/s.

Intenzitetot pretstavuva energetska karakteristika na zvukot i se definira kako sredna vrednost na prenesenata zvu~na energija E za edinica vreme niz edinica povr{ina S normalna na nasokata na prostirawe. Imajki ja predvid relacijata (7.14) se dobiva:

52


(7.22)

i e daden vo edinici J m-2 s-1 (xul na metar kvadraten vo sekunda), odnosno Wm-2. Vo formulata e gustina na sredinata, A-amplituda na zvu~niot bran, v-brzina na prostirawe, -kru`na fekvencija.

Pri pominuvawe na zvu~nite branovi niz nekoja sredina, poradi razli~noto oscilirawe na molekulite, na oddelni mesta doa|a do zgolemuvawe ili do namaluvawe na postojaniot atmosferski pritisok r0

koj vladee vo sredinata. Promenata na pritisokot pretstavuva razlika me|u normalniot i maksimalno promenetiot pritisok pm (zgolemen ili namalen) i e proporcionalna na amplitudata na osciliraweto na ~esti~kite. Ovoj pritisok se narekuva zvu~en pritisok pm:

(7.23)

Zvu~niot pritisok e mnogu pomal od atmosferskiot. Taka, ako prose~nata vrednost na atmosferskiot pritisok e od red 105 Ra (paskali), najgolemata vrednost {to moè da ja po~uvstvuva ~ovekot bez da nastane o{tetuvawe e 10 Ra, a najmalata od red 10-5 Ra.

Intenzitetot na zvukot sega moè da se zapi{e na sledniot na~in:

(7.24)

kade {to v e brzinata na zvukot vo sredinata. Ovde e pogodno da se vovede veli~inata zvu~en impedans na sredinata (zvu~en otpor):

(7.25)

{to e od osobena va`nost, a podetalno }e bide razgledan kaj premin na ultrazvuk od edna vo druga sredina.

ôve~koto uvo e osetlivo na {irok interval (20 Hz<f<20kHz) frekvencii so opredelen intenzitet. Minimalnata vrednost na intenzitetot na zvu~niot bran koj predizvikuva ~uvstvo za zvuk pri dadena frekvencija, pretstavuva dolna granica na ~ujnosta i se narekuva prag na ~ujnosta. Za f=1000 Hz, pragot na ~ujnosta iznesuva: Imin=10-12W/m2. Maksimalnata vrednost na intenzitetot na zvukot {to ~ove~koto uvo seu{te moè da go slu{ne a da ne po~uvstvuva bolka, pretstavuva gorna granica na ~ujnosta i se narekuva prag na bolkata. Za f=1000 Hz, pragot na bolkata iznesuva: Imax=10 W/m2 .

Nivo na ja~ina na zvukot. Logaritamskiot odnos na intenzitetite na zvukot vo ~ujnata oblast pretstavuva nivo na ja~ina na zvukot L:

(7.26)

kade k e konstanta; I-intenzitet na zvukot; Imin-intenzitet na zvukot na pragot na ~ujnosta za f=1000 Hz. Ako se zeme k=1, nivoto na

53


ja~inata na zvukot se izrazuva so edinicata Bel (V); Ako k=10, edinicata e decibel (dB) i so nea naj~esto se izrazuva vrednosta na nivoto na intenzitetot na zvukot. Na intenzitet na zvukot od Imax=10 W/m2 odgovara nivo od 130 dB:

(7.27)

Poradi toa, celoto podra~je na nivoto na ja~ina na zvukot e podeleno na 130 dB. Poradi logaritamskata zavisnost, ako na primer razlikata vo nivoto na ja~ina me|u dva zvuka e 50 dB (na primer, uli~na vreva ima 60 dB a {umolewe na lisja 10 dB) toa ne zna~i deka intenzitetot na prviot zvuk e 6 pati pogolem, tuku 105 pati. Nivo na intenzitetot na zvuk od razli~ni izvori:

Izvor na zvuk Nivo (dB)srcevi ton. (so stetoskop) 10{epotewe 20tivok razgovor 40normalen razgovor 50uli~na vreva 60uli~en soobrakaj 70vikawe na uvo 80voz vo stanica 90motocikl 100diskoteka 100-130avionski motor (3m) 130

13.3.2. Subjektivni karakteristiki na zvukot.

Zvukot deluva na organot za sluh i predizvikuva subjektivni reakcii koi ne zavisat samo od fizi~kite (objektivni) karakteristiki na zvukot, tuku i od biolo{kite svojstva na organot. Subjektivni karakteristiki se: visina na tonot, boja na tonot, ~ujnost (glasnost) i nivo na ~ujnost.

Visinata na tonot e svojstvoto spored koe moè da se kaè deka tonot e visok (piskav) ili nizok (dlabok: bas, bariton). Ovaa osobina zavisi vo prv red od negovata frekvencija, (kaj sloènite tonovi od osnovnata frekvencija). Kolku frekvencijata e pogolema, ~ovekot }e ima subjektivno ~uvstvo na povisok ton. Na visinata na tonot vo pomala merka deluva i intenzitetot, koj so negovoto zgolemuvawe ili namaluvawe, go zgolemuva ~uvstvoto za visina, odnosno dlabo~ina na tonot. Niskite tonovi imaat f < 250 Hz, srednite 250 <f<1500 Hz a visokite f >1500 Hz.

Bojata na tonot e subjektivna karakteristika koja odgovara na zvu~niot (akusti~en) spektar, kade {to pokraj osnovniot ton postojat i vi{i tonovi. Eden ist ton na razli~ni instrumenti ima razli~en akusti~en spektar, {to se manifestira so razli~na boja na tonot. Za muzi~ki ve`bano uvo ne e te{ko da se raspoznae ne samo od koj instrument poteknuva sloèniot ton, tuku ton od dva instrumenti od ist vid, na primer edna violina od druga, zatoa {to tehni~ki ne moè da se napravat dve identi~ni violini {to bi davale ista boja na tonot.

54


Po ubavinata na svoite tonovi pro~ueni se Stradivarius-ovite violini ~ij kvalitet i do denes ne e nadminat.

Sekoj sloèn ton moè da se pretstavi kako rezultat na superpozicija na poveke sinusoidalni branovi. Ovaa harmoniska analiza na akusti~niot spektar matemati~ki se vr{i so pomo{ na Furieovi (Fourier) funkcii, a postapkata se vika Furieova analiza. Ovaa metoda na razloùvawe na sloènite branovi preku poveke sinusni funkcii ~ii frekvencii se vo opredelen broen odnos ima ogromno zna~ewe vo analizite na mnogu periodi~ni procesi vo naukata, a se koristi i vo medicinata.

ûjnosta (glasnost) e subjektivna procenka na intenzitetot na zvukot izvedena preku organot za sluh. Da go objasnime toa podetalno. Vidovme deka intenzitetot na zvukot kako negova objektivna karakteristika moè da se meri so soodvetni merni uredi, nezavisno od svojstvata na ~ovekoviot slu{en aparat. Duri i intenzitetot Imin=10-12W/m2 {to e utvrden kako pribli`no najslab ton {to moè da se slu{ne, moè da se izmeri.

No, ako se vodi smetka za zakonitostite na priem na zvu~nite drazbi preku organot za sluh, namesto intenzitetot se voveduva tokmu ~ujnosta. Subjektivniot oset za ~ujnost zavisi od frekvencijata. Za da moàt da se slu{aat zvu~nite branovi, pokraj frekvencijata (20Hz<f<20kHz), potrebno e tie da imaat opredelen intenzitet. Maksimalnite vrednosti za slu{awe na zvu~nite branovi se ograni~eni so edna linija, poznata pod imeto prag (granica) na bolkata, nad koja zvu~nite branovi predizvikuvaat bolka pri slu{aweto. Postojat i minimalni vrednosti na intenzitetot na zvu~nite branovi pod koi tie se ne~ujni. Krivata {to ja pretstavuva dolnata granica na slu{awe na zvukot e poznata pod imeto prag na slu{aweto. Dvete spomnati krivi (Vegel-Fle~erovi) na ~ujnosta go ograni~uvaat slu{noto podra~je, koe vo fiziolo{kata akustika e poznato pod imeto slu{na povr{ina.

Vnatre{nata zatvorena kontura od ovaa slika, aproksimativno go pretstavuva govornoto podra~je, okolu koe e pretstaven regionot na produkcija i slu{awe na muzika. Sekoja individua ima individualni slu{ni karakteristiki i soodveten prag na bol i slu{awe. Istraùvawata pokaùvaat deka normalnoto ~ove~ko uvo e najosetlivo na zvuci so frekvencija od 1000 – 3000 Hz so prag na slu{awe e 10-12Wm-2. Vo toj frekventen dijapazon, uvoto ima golema frekventna razdelna sposobnost; moè da razlikuva dva zvuci so razlika samo od 3 Hz.

Na sl. 7.5 e pretstavena slu{nata povr{ina vo koordinaten sistem; frekvencija (~estota, Hz) - intenzitet (W/m2).

55


Sl. 7.5

Nivo na ~ujnost na zvukot. Toa e subjektivna karakteristika {to e vovedena poradi zavisnosta na osetlivosta na uvoto od frekvencijata na zvukot. Nejzinata definicija e so psihofizi~kiot zakon na Veber-Fehner koj ja dava ovaa vrska:

(7 .28)

Formalno, izrazot (7.28) e ist so izrazot za nivo na ja~inata na zvukot (7.26). No, ovde k e koeficient na proporcionalnost {to silno zavisi od frekvencijata i intenzitetot na zvukot. Poradi taa zavisnost, ~ujnosta ne se izrazuva vo beli ili decibeli, tuku vo drugi edinici, foni.

Za da se najde vrskata me|u ~ujnosta i intenzitetot na zvukot pri razni frekvencii, se koristat izofonski krivi prikaàni na sl. 7.6. Samo pri frekvencii od 1000 Hz nivoto na ~ujnost (glasnost) se poklopuva so nivoto na ja~ina na zvukot, zatoa {to toga{ k=1.

Najnovite istraùvawa pokaàa deka ~ujnosta (glasnosta) ne zavisi logaritamski od negoviot intenzitet, tuku taa zavisnost e poinakva. Taga, glasnosta G e dadena so formulata:

(7.29)

kade {to Imin e intenzitet na pragot na frekvencijata f. Ovde glasnosta se israzuva vo edinici Soni (Sn). Vrskata me|u ovaa edinica i nivoto na glasnosta

Sl.7.6

56


vo foni e: 1Sn=40 foni. Slu{nite karakteristiki se menuvaat so godinite; vo starost gornata

granica na slu{awe, ~estopati se simnuva do 12kHz. Zvuci pod 20Hz se ~uvstvuvaat kako potres. Pri frekvencii na zvukot pomali od 1000 Hz i pogolemi od 5000 Hz osetlivosta na uvoto e pomala. Minimalniot intenzitet na zvukot {to toga{ moè da se ~ue e 9 dB. Vo ovaa oblast uvoto reagira na promena na vozdu{niot pritisok r 40Ra, (promena na intenzitetot 410-

12W/m2) {to pretstavuva ekstremno mal iznos.Pri stareewe ili nekoi bolesti nastanuvaat karakteristi~ni

promeni vo slu{nata povr{ina; stesnuvawe na oblasta, promena na frekventnata zavisnost na pragot na ~ujnost i pragot na bolka itn. Istraùvaweto na ovie promeni e va`na zada~a na sovremenite kabineti za u{ni bolesti. Nastanatite promeni se otkrivaat so pomo{ na specijalni aparati; audiometri. Tie pretstavuvaat izvori na zvuk so frekvencija vo dijapazon 16-20.000 Hz ~ij intenzitet moè da se regulira i meri. Dvata praga; na ~ujnost i na bolka, se opredeluvaat pri razli~ni frekvencii i od tie podatoci se dobiva ~ujnata povr{ina.

7.4. FIZIOLO[KO DEJSTVO NA ZVUKOT

Vo sekojdnevniot ìvot se sre}avame so zvu~ni branovi koi se neprijatni za slu{awe (zuewe, {kripewe, grebewe, trkalawe, {u{tewe itn.). Raznite vidovi na neprijatni zvuci se sozdavaat od soobra}ajot, industrijata, instalacii i drugi izvori.

Vibraciite organizmot gi ~ustvuva preku receptornite zoni na koàta. Frekvencijata na takvite vibracii e pomala od 200 Hz. Vibraciite so frekvencija pomala od 4 Hz, davaat neprijatni ~ustva so simptomi na morska bolest, bledilo, povra}awe, potewe i poremeteno di{ewe. Vibraciite so frekvencii me|u 4 i 10 Hz pridonesuvaat za sozdavawe na bolovi vo gradite i stomakot, promeni vo di{eweto i muskulnite kontrakcii, glavobolka i strav. Nad 10 Hz se javuvaat brojni pre~ki vo psihi~kata sfera, pridruèni so zasileni glavobolki i pre~ki vo govorot. Do zna~ajni poremetuvawa vo nervnomuskulniot aparat doa|a pri frekvencii povisoki od 40 Hz.

Vo blizina na aerodromite ima zgolemena bu~ava do 90 dB, (na oddale~enost do 1km od avionskite pisti). Dolgotrajnata bu~ava e pri~ina za oslabuvawe na slu{niot aparat so tendencija na ogluvuvawe. Bu~avata dejstvuva na nervniot sistem i predizvikuva smaluvawe na raboto-sposobnosta, zgolemuvawe na zamorot i rizikot za pojava na razni nervni zaboluvawa.

Zvu~nite branovi imaat {tetno dejstvo vrz vnatre{noto uvo ako nivniot intenzitet e nad 95-100 dB. Zvuk so frekvencija od 14 kHz i inten-zitet od 4 kW, doveduva do totalna gluvost vo traewe od nekolku ~asovi. Zvu~ni intenziteti od 5-8 kW doveduvaat do gubewe na sposobnosta za upravuvawe so skeletnite muskuli pri {to nastapuva paraliza, se gubi memorijata i se otpu{taat muskulite na liceto.

Analizata na bu~avata se vr{i so fonometri (sonometri) so koi{to moè da se izmeri nivoto na intenzitetot i frekventniot spektar. Ovie merewa se va`ni za ocenka na {tetnoto dejstvo na sluhot {to doa|a od industriskata bu~ava.

57


Refleksija i prigu{uvawe na zvukot. Reverberacija.

Zvu~nite branovi {to doa|aat na granicata me|u dve sredini se reflektiraat, a eden del pominuva vo vtorata sredina. Vo zavisnost od svojstvata na dvete sredini, odnosot na reflektiraniot i propu{teniot intenzitet na zvukot e mnogu razli~en. Toa e mnogu va`no za zvu~nata izolacija na stanbenite i drugi objekti. Vo sekoj zatvoren prostor, zvukot se reflektira i apsorbira od yidovite, name{tajot i drugite povr{ini. Taka, duri i po prekinuvaweto na dejstvoto na zvu~niot izvor, vo prostorot ima zvu~ni branovi {to sozdavaat izvesen {um. Ova e osobeno karakteristi~no za golemite sali. Procesot na postepeno prigu{uvawe na zvukot vo zatvoreni prostorii po prekinot na zvu~niot izvor se vika reverberacija. Ovaa pojava od edna strana e korisna zatoa {to go zajaknuva zvukot poradi refleksijata, no od druga strana, relativno dolgata reverberacija moè zna~itelno da go vlo{i priemot na govor i muzika vo golemite teatarski, koncertni i kino sali. Prostorot namenet za govor (predavalni, {koli, teatarski sali) treba da ima malo vreme na reverberacija, na primer od 0,7 do 1,2 y (no ne pomalo od 0,5y). Mnogu maloto vreme na reverberacija dava vpe~atok deka prostorot e “gluv”, a pak vremeto na reverberacija nad 1,5y predizvikuva me{awe na reverberaciskiot zvuk so novite direktni zvuci pa govorot stanuva nerazbirliv.

Prostorot namenet za orkestarski pretstavi i muzika treba da ima vreme na reverberacija od 1,2 do 1,7 y (za crkovna muzika do 2,0y). Ovoj fakt se zema predvid pri gradbata na takvi objekti koi treba da imaat optimalno vreme na reverberacija za da se doìvee celosen umetni~ki vpe~atok na delata {to se izveduvaat. Taka na primer, polnata sala na Karnegi Hol ima vreme na reverberacija 1,70 y (prazen 4,55 y), polniot Boq{oj teatar 1,55 y (prazen 2,06 y).

7.5. Fizi~ki osnovi na sistemot za govor i sluh Organot za sluh kaj ~ovekot pretstavuva mo{ne sloèn aparat,

koj vo osnova e izgraden od delovi za priem i prenesuvawe na informacii. Spored toa uvoto ima sposobnost za analizirawe na zvu~nite branovi. Osven toa, uvoto e sposobno za regulacija, korekcija i percepcija na akusti~kata drazba kako i procenka na mestopolo`bata na zvu~niot izvor.

Promenite na pritisokot na vozduhot predizvikuvaat oscilirawe na u{noto tapan~e, a ovie oscilacii ponatamu se prenesuvaat preku u{nite kov~iwa i ovalnoto prozor~e, vo te~nosta na vnatre{noto uvo. Preku posebni delovi, sozdadenata mehani~ka energija se pretvara vo bioelektri~na, koja preku nervnite vlakna se prenesuva vo mozokot, kade {to se sozdava ~uvstvo na zvuk vo vid na drazbi.

Sposobnosta na uvoto da ja razlikuva visinata i bojata na tonot, spored teorijata na Helmholc, e povrzana so pojava na rezonancija {to nastapuva vo bazilarnata membrana. Spored ovaa teorija, dejstvuvaj}i vrz membranata, zvukot predizvikuva mo{ne silni rezonantni oscilacii na elasti~nite vlakna so sopstvena frekvencija,

58


ednakva na rezonatnata na tonot ili na harmoniskite tonovi na sloèniot zvuk.

Osetlivosta na uvoto e uslovena od negovata mehani~ka konstrukcija, od koja zavisi zgolemuvaweto na akusti~kiot pritisok. Vozdu{niot stolb vo u{niot kanal, zatvoren od ednata strana, moè da oscilira so rezonantna frekvencija na zvukot ~ija vrednost e 3000 Hz. Pri vakvi uslovi pritisokot vo u{noto tapan~e se zgolemuva za 2-3 pati.

Odredeni vidovi ìvotni postignale visok stepen na usovr{uvawe na svojot zvu~en priemnik, so sposobnost za slu{awe na mnogu poslabi signali od onie {to moè da gi slu{a ~ovekot. Ku~iwata, ma~kite i drugi ìvotni moàt da slu{aat akusti~ni branovi so frekvencija do 60 kHz. Delfinite, nekoi vidovi kitovi, a osobeno liljacite imaat sposobnost da registriraat akusti~ni signali so frekvencija od 100 kHz.

Aparatot za govor kaj ~ovekot pretstavuva sistem koj sozdava zvuk so oscilirawe na: glasnite ìci, mekoto nepce, jazikot, usnata i nosnata praznina i usnite. Vo procesot na sozdavawe na govorot u~estvuvaat i di{nite pati{ta. Zvu~nite oscilacii {to nastanuvaat vo glasnite ìci pretstavuvaat mnoèstvo od tonovi koi se prenesuvaat do usnata i nosnata praznina. Prazninite ja igraat ulogata na rezonatori i promenata na nivnata forma i golemina, doveduva do zasiluvawe ili oslabnuvawe na oddelnite tonovi so {to go uslovuva vidot na krajniot ton {to se sozdava.

Aparatot za slu{awe kaj ~ovekot se sostoi od delovi za prenesuvawe i primawe na zvukot. Ulogata na prenesuvawe na zvukot ja imaat nadvore{noto i srednoto uvo, a za primawe vnatre{noto uvo. Nadvore{noto uvo se sostoi od {kolka i u{niot kanal do u{nata membrana; Srednoto uvo se sostoi od membrana i slu{nite kov~iwa; Vnatre{noto uvo se sostoi od polàv i Kortiev organ (sl.7.7)

Sl. 7.7

Mehanizmot na prenesuvawe na zvukot se objasnuva na sledniot na~in: zvu~nite branovi navleguvaat niz nadvore{noto uvo i u{niot kanal do membranata koja po~nuva da oscilira so amplituda proporcionalna na amplitudata na zvu~niot pritisok. Vozduhot vo

59


u{niot kanal koj e zatvoren od ednata strana so membranata, moè da oscilira so rezonantna frekvencija ako zvu~nite oscilacii se so frekvencija od 3000 Hz do 4000Hz. Rezonantna frekvencija nastanuva ako dolìnata na cevkata e , i pritoa zvu~niot pritisok na u{nata membrana moè da se zgolemi dva do tri pati. No, negovata amplituda e seu{te mala i taa treba da se zgolemi. Srednoto uvo t.e kov~iwata vo srednoto uvo deluvaat kako sistem od lostovi so koeficient na prenos od 1,5. Pokraj nivniot udel vo mehani~koto zgolemuvawe na zvu~niot pritisok, golema uloga ima i odnosot me|u povr{inite na membranata so koja zapo~nuva srednoto uvo i na ovalniot otvor so koj zapo~nuva vnatre{noto uvo. Toj odnos iznesuva 17 {to zna~i deka zvu~niot pritisok, vklu~uvaj}i go i zgolemuvaweto od strana na kov~iwata, }e se zgolemi 20 do 30 pati, a intenzitetot na zvukot okolu 1000 pati. Vo slu~aj na rezonanca vo u{niot kanal, maksimalnoto zgolemuvawe na intenzitetot na zvukot (koj e proporcionalen so kvadratot na amplitudata) bi bilo ne{to pogolemo od 32.000 pati. Ovaa zgolemuvawe e rezultat i od prilagoduvaweto na maliot akusti~en impendans na membranata (sli~en na impendansot na vozduhot) i na golemiot impendans na sistemot od ovalniot otvor, finata membrana i te~nosta kaj vnatre{noto uvo.

Vnatre{no uvo e del od organot za sluh kade vozdu{nite oscilacii preku ovalniot otvor i finata membrana, se pretvoraat vo oscilacii na te~nost. Toa e vo forma na polàv koj ima 2,5 zavoi i ~ija vnatre{nost so t.n vestibularna i bazilarna membrana e podelena na tri kanali ispolneti so te~nosti. Vestibularnata membrana razdvojuva dva kanali so razli~ni fluidi i taa ne dava nikakov otpor pri prostiraweto na oscilaciite niz fluidite. Bazilarnata membrana se sostoi od pove}e od 20.000 elasti~ni vlaknenca so dolìna od 0,04 do 0,5 mm i po nejzinata dolìna se protega Kortieviot organ koj oscilaciite gi pretvora vo nervni impulsi.

Binauralen efekt. Va`na osobina na slu{niot aparat na ~ovekot e {to dava mo`nost za prostorna orientacija vo odnos na zvu~nite izvori. Za frekvencii f >800 Hz, orientacijata e preku sporeduvawe na glasnosta so pomo{ na dvete u{i. Pri frekvencii f <500 Hz prostornata orientacija e vrz baza na sporedbata na fazite na zvukot {to stignuva vo dvete u{i. Vo frekventniot interval me|u dvete spomnati frekvencii, prostornata orientacija e vrz baza kako na amplitudna, taka i na fazna analiza na primeniot zvukot. Poradi binauralniot efekt, prostornata razdelna sposobnost na slu~niot aparat e mnogu golema. Taka, ~ovekot e vo sostojba da razlikuva dva izvori na zvuk samo ako nasokite na zvu~nite branovi zafa}aat agol od red na 30.

7.6. ZVU^NI METODI VO MEDICINATA.

Zvukot moè da bide izvor na informacii za sostojbata na vnatre{nite organi kaj ~ovekot zatoa {to mnogu organi i sistemi na organizmot pri svojata rabota sozdavaat zvuk. Eden od najstarite i najrasprostranetite zvu~ni metodi za dijagnostika na nekoi zaboluvawa e auskultacijata (prislu{uvawe). Toa se vr{i so pribori- fonendoskopi. Toa e rezonatoren plosnat cilinder pokrien od ednata strana so elasti~na membrana, a od drugata strana zavr{uva so dve plasti~ni ili gumeni creva (zvukoprovodi) preku koi{to lekarot gi slu{a zvucite od daden organ: na primer srcevite tonovi, {umovite na belite drobovi pri di{ewe, peristaltikata na èludecot,

60


bieweto na srceto na plodot vo majkata itn. Perkusijata {to porano be{e rasprostraneta dijagnosti~ka metoda

denes e istisneta od posovremenite metodi. Taa se sostoi vo generirawe na zvuk so ~ukawe po koàta so prst ili so specijalno ~ekan~e i negovo prislu{uvawe so fonendoskop.

7.6.1. Ekstrakorporalna litotripsija. Toa e nehirur{ka postapka za razru{uvawe na bubre`ni i òl~ni kamewa so primena na zvuk. Zvuk so golem intenzitet R se dobiva so elektri~no praznewe me|u dve elektrodi E1-i E2.

Elektri~noto praznewe neophodno za generirawe na zvu~en bran se ostva-ruva so pomo{ na silni elektri~ni impulsi ~ij napon moè da dostigne do 20 kV (sl. 7.8). Specijalen paraboli~en reflektor go naso~uva zvukot kon bubre`niot kamen ~ii koordinati prethodno se odredeni. Opredeluvaweto na koordinatite na kamenot (op{to; konkrementot) se vr{i so pomo{ na ultra-zvu~na ili rendgen tehnika. Preminuvajki niz mekite tkiva (so mala gustina) {to se nao|aat pred kamenot, branot ne naiduva na golem akusti~en impedans Za i ne pravi go-lem akusti~en pritisok. No, koga naide na kamenot, poradi negovata mnogu pogolema gustina, branot sozdava golem akusti~en pritisok pod ~ie dejstvo kamenot }e se razdrobi.

Elektrodite na generatorot, reflektorot na zvukot i pacientot se nao|aat vo kada so dejonizirana voda. Toa e potrebno za da moè zvu~niot bran (poto~no elektro-mehani~ki bran) da se prostira bez pogolemi zagubi na

intenzitetot. Razbivaweto na kamenot se vr{i sé do potpolno razdrobuvawe na sitni par~iwa koi moàt potoa da bidat otstraneti po priroden pat; za toa e potrebno da se generiraat nekolku stotini branovi.

Kaj novite litotripteri generi-raweto na zvu~niot bran e sinhronizi-rano so rabotata na srceto za da ne nastane eventualen problem vo sinhronizacijata na srcevite miofibrili (sl.7.9a promena na pritisokot na zvu~niot bran, 7.9b kardiogram na pacientot. Se gleda sinhronizacijata so pikot R).

7.7. INFRAZVUK I ULTRAZVUK

Sl.7.8

61

sl.7.9


Glavna podelba na zvukot po podra~ja e napravena vrz osnova na frekvencijata so koja oscilira zvu~niot bran. Zvu~nite branovi koi{to osciliraat so frekvencii poniski od slu{noto podra~je (20 Hz), se narekuvaat infrazvuk, a onie so povisoki frekvencii (20 kHz) ultrazvuk.

7.7.1. INFRAZVUK

Infrazvu~nite branovi naj~esto nastanuvaat pri gromovi i atmosferski praznewa, eksplozii, bu~ava od transportnite sredstva, seizmi~kite branuvawa itn. Tie imaat niski vrednosti na pridu{uvawe vo vodena i cvrsta sredina, poradi {to se prostiraat na mnogu golemi rastojanija. Infrazvukot predizvikuva takvi vibracii vo ~ove~kiot organizam {to za posledica imaat bolki vo gradite i stomakot, promeni vo di{eweto i muskulnite kontrakcii, glavobolka, strav itn. Za nekoi frekvencii moè da nastanat rezonantni pojavi kaj vnatre{nite organi, koi te{ko se podnesuvaat ako amlitudite se pogolemi. Korisnoto dejstvo na infrazvukot se polzuva za terapevtski celi i kondiciona masaà.

7.7.2. ULTRAZVUK. DOBIVAWE.

Ultrazvukot ima mnogu pogolema primena i zatoa podetalno }e bide razgledano negovoto nastanuvawe, fizi~kite karakteristiki, dejstvoto vrz biolo{kite objekti i negovata uloga vo dijagnosti~ki i terapevtski celi. Negovata frekvencija e povisoka od 20 kHz, i se nao|a nadvor od slu{noto podra~je. Spored frekvencijata no i na~inot na prostirawe i zaemnodejstvo, ultrazvukot moè da se podeli vo tri oblasti so:

-niski frekvencii 20 - 100 kHz-sredni frekvencii 0,5 - 10 MHz-visoki frekvencii 10 MHZ - 1 GHzAko frekvencijata e >1G Hz, toa e hiperzvuk. Prirodata na ultrazvu~nite branovi e ista kako i prirodata na

zvu~nite branovi. No, poradi golemata frekvencija (mala branova dolìna od red na veli~ina 17 mm - 0,1 m) ultrazvukot ima golema energija. Toa e poradi faktot {to energijata na branot e proporcionalna na kvadratot od frekvencijata (ravenka 7.22), taka {to i pri relativno mali amplitudi, moèn e intenzitet od red 106 W/m2 {to moè da predizvika destrukcija na tkivata. No, vedna{ da kaème deka vo medicinskata dijagnostika naj~esto se koristi ultrazvuk so frekvencija od 2 MHz {to e daleku od gornata granica, a so toa energijata na takviot bran e mala.

Spored odredbite na Me|unarodnata komisija za za{tita od zra~ewa, ultrazvukot spa|a vo grupata na nejonizira~ki zra~ewa {to zna~i deka pri zaemnodejstvo so biolo{kite materijali ne predizvikuva jonizacija na nivnite atomi i molekuli. Za jonizacija }e se zboruva podocna.

Dobivawe na ultrazvuk. Za dobivawe na ultrazvuk se konstruirani generatori koi gi

62


koristat efektite: -magnetostrikcija i-recipro~en piezoelektri~en efekt.

Bidej}i i dvata efekti se reverzibilni, ultrazvu~nite generatori ednovremeno se i detektori.

1. Magnetostriktivnite generatori davaat ultrazvuk vo podra~je 175kHz - 3MHz. Kaj generatorite so piezoelektri~ni pretvoruva~i, optimalnata frekvencija e 0,8MHz, a intenzitetot e okolu 1W/cm2.

Magnetostrikcijata pretstavuva pojava pri koja nastanuva promena na dimenziite na feromagneten materijal koga toj }e se izloì na promenlivo magnetno pole. Feromagnetniot materijal vo takvi uslovi moè da ja transformira magnetnata energija vo mehani~ka. Ako se priloì promenlivo magnetno pole so frekvencija od ultrazvu~noto podra~je, toga{ feromagnetniot materijal stanuva ultrazvu~en generator.

Ako frekvencijata na periodi~no-promenlivoto magnetno pole e ednakva ili cel broj pati povisoka od sopstvenata frekvencija na magnetostriktivniot pretvoruva~, toj se prisiluva na intenzivni rezonantni oscilacii so frekvencija fk:

fk

L

Ek

2 (7.29)

kade: k e cel broj, E e Jungov modul, L e dolìna na pretvoruva~ot i e gustinata. Najdobri magnetostriktivni karakteristiki imaat legurite od tipot Fe-Al i Fe-Co. Ovie metodi obezbeduvaat generirawe na ultrazvu~ni branovi so intenzitet I =106 W/m2 .

Magnetostriktivnite pretvoruva~i nao|aat {iroka primena vo hemijata, metalurgijata, tehnologijata, metalnata industrija itn.

2. Generatori vrz baza na recipro~niot piezoelektri~en efekt.

Ako plo~ka od kristal se podloì na pritisok, na ednata povr{ina }e se pojavi vi{ok na negativni, a na drugata vi{ok na pozitivni elektri~ni polneì. Ako istata plo~ka ja podloìme na deformacija na istegnuvawe, vi{okot na polneì }e bide obratno rasporeden. Vo dvata ovie slu~ai doa|a do pojava na piezoelektri~en efekt. Vakvi svojstva na piezo-efekt pokaùvaat kristalite na kvarc, sewetova sol, nekoi kerami~ki materijali na baza na barium titanat itn.).

Ako na kristalnata plo~ka se priloì visokofrekventno elektri~no pole, taa }e bide podloèna na periodi~no promenlivi elesti~ni deformacii (inverzen piezoelektri~en efekt). Toa zna~i taa }e po~ne da ja menuva svojata debelina pod dejstvo na elektri~noto pole. Ako frekvencijata na promenlivoto elektri~no pole bide ednakva ili cel broj pati pogolema od sopstvenata frekvencija na kristalot, toj }e vr{i prisileni rezonantni oscilacii so maksimalna amplituda. Taka, za plo~ka od kvarc so debelina od 1mm rezonanca nastanuva pri frekvencija na poleto od 2,87 MHz, za kristal od sewetova sol pri frekvencija od 1,5 MHz, a za barium titanatot 2,75 MHz.

Na sl.7.10a e prikaàn generator na ultrazvu~ni branovi,

63


pretvara~ (transducer). Toa e visokofrekventen piezoelektri~en oscilator.

Sl.7.10Ako generatorot se isklu~i a na plo~kata dejstvuva nekakva

periodi~na sila (na primer, ultrazvu~en bran), na dvete elektrodi na plo~kata se pojavuva napon (piezo-efekt) {to so tek na vremeto se menuva po istiot zakon kako i promenata {to predizvikuva deformacija. Taka, toa e detektor na ultrazvuk (sl. 7.10b).

7.7.3. Fizi~ki karakteristiki na ultrazvukot

Pokraj frekvencijata, odnosno branovata dolìna, ultrazvukot se karakterizira i so odredena amplituda t.e intenzitet (intenzitetot e proporcionalen na kvadratot na amplitudata). Pri pominuvawe na ultrazvukot niz nekoja homogena sredina, nastanuva eksponencijalno oslabnuvawe na intenzitetot. Me|utoa, pominuvaweto na ultrazvukot mnogu zavisi od akusti~kiot impedans (otpor) na sredinata {to se definira kako proizvod od gustinata na sredinata i brzinata na prostirawe na ultrazvukot niz taa sredina:

z=v (7.30)

Ultrazvukot dobro se prostira i dostignuva golem domet vo sredini so golem akusti~en impedans, dodeka vo sredini so mal akusti~en impedans, kako {to e na primer vozduhot, sostojbata e obratna. Brzinata na prostirawe na ultrazvukot e razli~na za sekoja sredina, taka na primer pri t=0 S, vo vozduh e 331 m/s, vo voda 1497 m/s, vo tkiva 1530-1600 m/s.

Koga ultrazvukot }e se najde na granica na dve homogeni sredini so razli~en akusti~en otpor, eden del }e se reflektira, a drugiot del }e se transmitira. Odnosot me|u reflektiraniot i transmitiraniot del }e zavisi od odnosot pome|u akusti~nite impendansi na sredinite. Me|utoa, za pogolemi razliki vo impendansite, pogolemiot del od zvu~nata energija }e se reflektira, a pomaliot }e se transmitira. Toa sledi od formulata za koeficientot na refleksija R:

(7.31)

Spored akusti~nite svojstva na nekoi tkiva i drugite sostavni

64


delovi na organizmot, se doa|a do soznanie deka koeficientot na refleksija ke bide mnogu mal pri premin na ultrazvukot od te~na vo cvrsta sredina, no ke bide mnogu golem pri premin od vozduh (gasovi) vo te~na ili cvrsta sredina. Na primer, za frekvencii od red MHz, samo nekolku mm vozdu{en sloj se dovolni da se reflektira duri 90% od upadniot intenzitet. Toa e pri~inata {to ne moàt da se koristat refleksioni ili eho-tehniki za dijagnostika na belite drobovi. Vozduhot e vistinska pre~ka za prostiraweto na ultrazvukot. Zatoa, sondata treba dobro da se prilepi na mestoto na koe se propu{ta utrazvuk (prema~kuvawe so gel).

Koeficientot na transmisija T go prikaùva delot na transmitiranata energija, vaì: T = 1-R. Nivnata zavisnost presmetana vo procenti, e prikaàna na grafikot na sl.7.11. Kaj sredini so isti akusti~ni impendansi (z1=z2, z1/z2=1), nema refleksija: R=0, T=100%. No, kaj sredini so golema razlika vo impendansite (primer vozduh-tkivo), pri pominuvaweto na ultrazvukot, se reflektira golem

del od energijata.

Vo tabelata se dadeni akusti~kite svojstva na nekoi sredini za frekvencija na ultrazvukot od 1 MHz:

sredina Brzina (m/s) Impedans Z(106kg/m2s)

Apsorpcija*dB/cm

voda 1500 1,5 0,02krv 1570 1,61 0,18masno tkivo 1450 1,38 0,63muskuli 1585 1,70 1,3 (3,3)koski (lobawa)

4080 7,80 20

vozduh 340 0,0004 12

*Nivoto na apsoprpcija na ultrazvukot se izrazuva kako stepen na prigu{uvawe i se pretstavuva vo decibeli (dB). Ako prigu{uvaweto e 10dB, zna~i deka intenzitetot se namalil 10-pati. Ako nivoto na apsorpcija se podeli so debelinata na apsorbentot se dobiva prigu{uvaweto (dB/m ili dB/cm).

7.7.4. Dejstvo na ultrazvukot vrz biolo{kite sistemi.

Biolo{koto dejstvo na ultrazvukot zavisi od negoviot intenzitet, frekvencijata i vremetraeweto. Mehani~koto i toplotnoto dejstvo pretstavuvaat direktno dejstvo na ultrazvukot, a preku niv ultrazvukot ostvaruva i indirektno dejstvo vrz fizi~ko-hemiskite procesi.

Mehani~koto dejstvo se manifestira preku istegnuvawe i nabivawe na kletkite koi se izloèni na oscilacii pod dejstvo na ultrzvu~niot bran. Ako energijata na osciliraweto e golema, moè da

65

sl.7.11


dojde do nesakano razorno dejstvo {to za posledica }e ima sozdavawe na kavitacii (praznini). Vo biolo{kite tkiva koi ne se homogeni i izotropni (muskulno tkivo), kavitaciite predizvikuvaat izdvojuvawe na polneì koi sozdavaat jaki poliwa i gi joniziraat prisutnite molekuli.

Toplotnoto dejstvo na ultrazvukot e poradi pretvorba na akusti~nata energija vo toplinska. No, isto taka, poradi reflektirawe na ultrazvukot od granicata me|u dve sredini so razli~ni akusti~ni impedansi, nastanuva zgolemuvawe na temperaturata na granicata za nekolku stepeni. Pri primena na ultrazvukot vo medicinata treba da se vodi smetka za ovoj efekt.

Mehani~koto i toplotnoto dejstvo posredno predizvikuvaat fizi~ko-hemiski promeni vo tkivata, koi pri mali intenziteti moàt da bidat korisni.

Spored bilo{koto dejstvo, ultrazvukot moè da se podeli na:- mal intenzitet 0-15 kW/m2 - sreden intenzitet 15-30 kW/m2 - golem intenzitet 30-100 kW/m2

Primena na ultrazvuk so mal intenzitet predizvikuva burno dvièwe vnatre vo kletkata. Osobeno brgu cirkulira protoplazmata {to doveduva do zabrzuvawe na normalnite fiziolo{ki procesi. Embrional-nite, brzoraste~kite i novosozdadenite tkiva, isklu~itelno se osetlivi na dejstvoto na ultrazvukot. Toa ne zavisi samo od intenzitetot, tuku i od vremetraeweto na dejstvoto i od specifi~nite reakcii na bio-objektot.

Zgolemuvaweto na intenzitetot do sredni vrednosti, doveduva do natamo{no zgolemuvawe na cirkulacijata na protoplazmata so {to nastanuva promena vo propustlivosta na membranata za jonite na K+

i Sa++. So toa se stimulira i zabrzuva me|ukleto~nata razmena na supstanciite.

Ultrazvuk so golem intenzitet predizvikuva morfolo{ki i funkcionalni reakcii, koi imaat negativen efekt. Doa|a do namaluvawe ili celosno prestanuvawe na razmena na supstancii, morfolo{ka promena na jadroto, protoplazmata i membranata. Ovie promeni moàt da dovedat do patolo{ki deformacii ili duri do destrukcija na kleto~nata membrana i uni{tuvawe na kletkata.

Prakti~nata primena na ultrazvu~nite branovi vo medicinata se zasnova na nivniot golem intenzitet i malata branova dolìna. Se koristat kako vo ultrazvu~na dijagnostika, taka i za ultrazvu~na terapija.

Vo medicinskata ultrazvu~na dijagnostika se koristat: -transmisiona tehnika (tehnika na prozvu~uvawe) i -refleksivna (eho-impulsna) tehnika. Transmisionata tehnika dava mo`nost za identifikacija na tkiva

koi imaat razli~en koeficient na apsorpcija. Metodot se sostoi vo propu{tawe na ultrazvuk niz ispituvanite tkiva, a na drugata strana se vr{i analiza na propu{teniot ultrazvu~en snop. Poradi neednakvata apsorpcija se dobiva slika na vnatre{nata struktura vo vid na mozaik od temni i svetli mesta.

Prvata primena na ultrazvuk vo medicinata e povrzana tokmu

66


so ovaa tehnika vo 1942 god, od strana na D. Dussik (Avstrija) koga e napraven obid da se otkrie tumor vo mozokot na pacient. Poradi golemata apsorpcija na ultrazvukot od koskite na lobawata, obidot nema{e mnogu uspeh.

Refleksivnata tehnika se zasniva na registrirawe na reflektira-nite ultrazvu~ni signali od grani~nite povr{ini na tkivata so razli~en akusti~ki impedans. Prv pat e primeneta vo medicinata vo 1950 god (Wild).

Principot na ovaa tehnika e prikaàn na sl. 7.12. Vo momentot t=0 od izvorot se emitira kratkotraen ultrazvu~en impuls R1 vo nasoka na organot O koj se isleduva. Po vreme t1 impulsot stignuva do frontalnata povr{ina na organot. Del od ul-trazvu~niot impuls R2 se reflektira i po vreme 2t1 se vra}a i predizvikuva signal vo detektorot koj se vizuelizira na ekranot na oscilo-

skop. Preostanatiot del od ultrazvu~niot paket vleguva vo dlabo~inata na organot i po vreme t2 dostignuva do zadnata povr{inakade delot R4 se reflektira i se registrira kako signal vo detektorot koj stignal za vreme 2 (t1 + t2 ). Onoj del {to pominal niz organot }e naide na drugi delovi, tkiva, }e se reflektira i }e sozdava novi signali vo detektorot. Bidejki se znae brzinata na prostirawe na zvukot vo tkivata, so merewe na vremiwata 2t1 i 2 (t1 + t2 ) moè da se presemta na koja dlabo~ina se nao|a ~elnata i zadnata povr{ina na objektot za koj se interesirame. Goleminata na amplitudata na reflek-tiranite signali nosi informacija za gustinata na tkivata. Kompjuterska-ta obrabotka na signalot obezbeduva vizuelizacija na ispituvaniot organ.

Razdelnata sposobnost na ulrazvu~nite dijagnosti~ki tehniki zavisi od frekvencijata (branovata dolìna) na upotrebeniot ultrazvu~en bran. Bidejki vo ultrazvu~nata dijagnostika se koristat frekvencii od red na MHz, tie imaat branovi dolìni pomali od 1mm a toa zna~i i najmalite strukturi {to moàt da se detektiraat se od red na 1mm.

Principot na registracija na reflektiranite signali se koristi i kaj SONAR (Sound Navigation and Ranging) uredite. Toa se instrumenti {to sluàt za podvodna navigacija i komunikacija, detekcija na podmornici, merewe na dlabo~ini i dobivawe na slika za reljefot na

Sl.7.12

67


morskoto dno. Na sli~en na~in rabotat i radarite, a opredeleni vidovi ìvotni ovoj metod go koristat za orientacija vo prostorot.

Vpro~em, iako ultrazvukot vo fizikata e pronajden kon krajot na XIX vek, negova prakti~na primena e tokmu vo I svetska vojna. Vistinskiot "bum" ultrazvukot go ima koga po~na da se primenuva vo medicinata.

Pri ultrazvu~nata dijagnostika zna~ajno mesto zazemaat: ultrazvu~nata kardiografija (otkrivawe na zaboluvawa kaj srceto, ultrazvu~nata ehoencefalografija (dijagnostika za mozo~ni zaboluvawa) i locirawe na povredi na koski so pomo{ na ultrazvuk.

Osven vo ginekologijata, urologijata,... ultrazvukot se koristi i vo hirurgijata, kade se konstruirani specijalni ultrazvu~ni skalpeli za se~ewe na meki koskeni delovi. Kaj niv intenzitetot na zvukot se fokusira vo to~kasti podra~ja so pomo{ na specijalni ultrazvu~ni glavi.

Biolo{kite efekti na ultrazvu~nite branovi se dolàt na raspa|aweto na kleto~nata struktura pod dejstvo na visokofrekventnite oscilacii. Pri prostirawe na ultrazvu~ni branovi vo ìvoto tkivo nastanuva apsorpcija na energija i nejzino pretvoruvawe vo akusti~ka i toplinska energija. Zgolemena toplina se sozdava na grani~nite sredini so razli~ni branovi otpori. Pri zgolemuvawe pak na temperaturata doa|a do zabrzuvawe na bioprocesite.

Ultrazvuk so intenzitet nad 30 kW/m2 doveduva do poremetuvawe na morfolo{kata struktura i na funkcionalnite reakcii. Poradi prestanokot na razmena na supstanciite i morfolo{kite promeni vo jadroto, protoplazmata i membranata, doa|a do patolo{ki deformacii ili do destrukcii na kleto~nite membrani, a so toa i do uni{tuvawe na kletkite.

Pogodno odbrani frekvencii i intenziteti na ultrazvu~nite branovi stimulativno vlijaat na procesot na rastewe kaj rastitelniot svet, a ponekoga{ pridonesuvaat za uni{tuvawe na {tetni bakterii, virusi i sl. Po eksperimentalen pat e potvrdeno stimulacionoto dejstvo na ultrazvukot vrz semiwata na nekoi rastenija.

Vo farmacevtskata industrija nao|a primena pri sterilizacija na farmacevtski supstanci.

Intenzitetot na ultrazvukot {to se upotrebuva za dijagnosti~ka cel, mora da bide mal i ne smee da ja pomine vrednosta od 0,01-0,04 kW/m2. Frekvencijata treba da iznesuva od 1-20 MHz i so toa se ovozmoùva dobivawe na tesen paralelen snop na zvu~ni branovi, bidej}i disperzijata na snopot e obratnoproporcionalna na frekvencijata.

Naj~esta primena na ultrazvukot vo dijagnostikata e:-ehoencefalografija (ehotomografija so B-scan tehnika) koja

ovozmoùva locirawe na tumori i krvarewe vo mozokot;-ehokardiografija za registrirawe na trombi vo srceto,

stenokardija i sl;-ehografija vo ginekologijata i aku{erstvoto-ehografija vo oftalmologijata, ispituvawe na vnatre{nite organi

vo stoma~nata praznina, ispituvawe na stesnuvawe i kompresija na

68


kanalot na rbetniot mozok itn.Tehnikata koja go koristi Dopleroviot efekt, ovozmoùva da se

odredi brzinata na dvièweto na nekoj predmet vo vnatre{nosta na organizmot, na primer cirkulacijata na krvta. Od generatorot ultrazvukot se naso~uva kon objektot {to se dviì t.e kon krvnite kletki. Pri reflektiraweto na branot moè da se smeta deka negov "izvor" bila kletkata {to go reflektirala i negovata frekvencija }e zavisi od brzinata na kletkata.

7.7.5. Doplerov efekt

Koga izvorot i priemnikot na nekoj bran, se dviàt relativno eden vo odnos na drug, frekvencijata na zvu~niot bran {to pristignuva do priemnikot ne e ista so onaa na izvorot. Vo op{t slu~aj koga tie se oddale~uvaat eden od drug, registriranata frekvencija se smaluva, a koga se dobliùvaat se zgolemuva, vo odnos na onaa generirana od izvorot. Ovoj fenomen e poznat pod imeto Doplerov (Doppler) efekt.

Neka zvu~en izvor Y emitira bran so frekvencija f0 i se dviì so brzina v vo odnos na nabquduva~ot (ili detektorot) koj registrira zvuk so frekvencija f, razli~na od onaa {to ja generira izvorot. Pri dobliùvawe na izvorot kon detektorot:

(7.32)

{to zna~i deka registriranata frekvencija e pogolema od emitiranata, a pri oddale~uvawe;

(7.33)

pri {to registriranata frekvencija e pomala od emitiranata. Vo formulite so c e ozna~ena brzinata na zvukot vo sredinata.

Za medicinskite dijagnosti~ki isleduvawa kade {to brzinata v na isleduvanite objekti (na primer eritrociti) e mnogu pomala od brzinata na ultrazvukot, razlikata me|u frekvencijata f0 i takanare~enata doplerovska frekvencija f (f = f0 fd) ke bide:

(7.34)

{to dava mo`nost da se opredeli brzinata v preku merewe na frekventnata razlika f. Doplerovite instrumenti so ultrazvuk se me|u naj{iroko iskoristenite za opredeluvawe na brzinata na krvta kako i dvièweto na srcevite zalistoci i yidovite na srceto (doplerova ehokardiografija). Ovie aparati se celosno kompjuterizirani- od manipulacijata do dobivaweto i registracijata na dijagnosti~kata informacija.

Se smeta deka ultrazvu~nata dijagnostika e neagresivna, bezbolna i bezopasna metoda. Me|utoa, ima seriozni pri~ini za pretpazlivost. [tetnoto dejstvo na ultrazvukot e povrzano so negoviot intenzitet, no treba da se ima predvid i faktot deka refleksijata na branovite od grani~nite povr{ini moè da dovede do interferencija na dva i pove}e brana i so toa u{te poizrazeno da bide zagrevaweto na toa mesto. Verojatnosta za takvo ne{to ne e golema, no ne treba da se zanemari pri upotrebata na ultrazvukot.

69


Ultrazvukot vo medicinskata terapija

Imaj}i gi predvid razli~nite dejstva na ultrazvukot vrz biolo{kite sistemi, ultrazvukot moè da se primeni vo slednive terapevtski celi:

-zagrevawe na tkivata kaj nastinki i revmatski bolesti; post traumati~ni sostojbi na lokomotorniot sistem koga se upotrebuva ultrazvuk so f= 800 -1000 kHz i intenzitet okolu 10 kW/m2.

-ultrasonoforeza t.e vnesuvawe na lekovi preku koà so pomo{ na ultrazvuk so intenzitet od 3-8 kW/m2. Efektot se zasniva na zasiluvaweto na difuzijata i osmozata niz kleto~nite membrani

-otstranuvawe na zaben kamen; lekuvawe na paradentoza, herpesi i drugi bolesti vo stomatologijata;

-razbivawe na kamewa vo mo~nite organi koristej}i go efektot na rezonancija itn.

Treba da se napomene deka direktno izloùvawe na ultrazvuk na mozokot, rbetniot mozok, organite za vid i sluh, krvnite sadovi i srceto i sli~no, moè da dovede do nekoi funkcionalni pre~ki.

7.7.6. Aparati za dijagnostika so pomo{ na ultrazvuk.

Na sl. 7. 13 e dadena blok-{ema na aparat za dijagnostika so pomo{ na ultrazvuk: S- sonda, C-kompjuter, E-napojuva~, A/D analog-digitalen konvertor (pretvoruva~ na analognite signali vo digitalni), DSC-digitalen sken konvertor, P –mikro zajaknuva~, M-monitor.

Najva`niot del e sondata koja {to elektri~nite signali gi transformira vo ultrazvu~ni branovi. Sondite glavno se delat na mehani~ki i elektronski. Specifi~nosta na nivnata konstrukcija i drugite parametri {to se odnesuvaat na materijalot od koj se napraveni ja ovozmoùvaat nivnata upotreba vo razli~ni oblasti (kardiologija i goren abdomen, ginekologija, aku{erstvo, transezofagealna, endovaginalna, intraoperativna itn.).

Spored reìmot na rabota, sondite rabotat vo:-A mod (Amplitude modulation Display). Na ekranot se pojavuva

amplitudata na reflektiranite signali. Po vertikalnata oska se meri amplitudata, a po horizontalnata e vremeto. Koga se znae vidot na tkivoto i brzinata na prostirawe na ultrazvukot, se dobiva dlabo~inata na refleksijata (ehoto).

_ TM-mod. Na horizontalnata oska se pojavuvaat svetli to~ki, refleksii od poedini strukturi. Koga ovaa oska se dviì, se dobiva slika na podvi`ni strukturi, srceto, krvnite sadovi itn.

-V-mod(Brightness modulated time base). Toa se niza svetli to~ki na ekranot a sekoja to~ka e refleksija od dadena povr{ina. Goleminata

na to~kata zavisi od intenzitetot na refleksijata. Vo kombinacija so sivata skala (gray scale) i pridviùvaweto na kristalot se dobiva “ìva slika” (real time). Ovde nema da se objasnuvaat ovie termini zatoa {to spa|aat vo tehni~kite detali na instrumentot. Zasega samo toa deka so tehnikata

70


na “ìva slika” (real time) se sozdava ultrazvu~na slika so brzina pogolema od 15 kadri vo sekunda {to ovozmoì revolucioneren presvrt vo primenata na ultrazvukot: pretstavuvawe vo ìvo rabotata na poedinite organi.Bidejki srednata brzina na ultrazvukot vo tkivata e 1530 m/s, potrebni se 13 ms ultrazvukot da pomine 1cm od tkivoto i po refleksijata da se vrati do sondata. Dobienata slika se smeta kvalitetna ako se sostoi najmalku od 500h500 pikseli (Picture element = pixel). Toa zna~i deka treba da se prikaàt 500 linii. Za da se re{i ovoj problem se koristi kompjuter za posebna namena - digitalen sken konvertor. No bidejki sondite se sostaveni od 128 (i pomalku) elementi, sken konvertorot gi odbira liniite {to se zna~ajni (go predviduva siviloto me|u dve linii) i vr{i dodatna obrabotka vo vrska so kontrastot na slikata. Vo sken konvertorot se nao|a u{te eden vaèn element; Time Gain Compensation. Negovata zada~a e slednata: refleksiite {to doa|aat od povr{ini blizu do sondata imaat pogolem intenzitet od onie {to doa|aat od podaleku (od pogolemi dlabo~ini na organot). Za da se izbegne ovoj laèn intenzitet, signalite {to doa|aat od pogolemi dlabo~ini se zajaknuvaat vo zavisnost od vremeto na zadocnuvawe.

Od sken konvertorot obrabotenata slika se vodi na monitor za vizuelizacija na organot. Paralelno so prikazot na monitor, slikata se snima so nekoja od foto tehnikite ili se memorira za podocna na kompjuter da se izvr{i dodatna obrabotka ili presmetka.

Blagodarenie na mo}nite mikroprocesori vgradeni vo sken konvertorot, mo`no e da se merat i protoci so koristewe na Dopleroviot efekt. Za taa cel se konstruirani posebni tnr. duplex- sondi kade {to vo isto ku}i{te e smestena i klasi~na i Dopler-sonda. Taa moè da raboti i vo klasi~niot V-mod, no i vo kombiniran B+D- mod (Dopler mod). Koga na ovoj mod se superponira boja - crvena za krvta {to otekuva a sina za krvta {to dotekuva kon sondata, se dobiva mo}en aparat {to ovozmoùva vonredno brza orientacija so istovremena detekcija na krvnite sadovi {to ne e mo`no da se pravi so klasi~nite metodi.

Brzinata na protokot na krvta moè da se presmeta od ve}e izu~enata relacija (7. 31) {to sega }e se napi{e vo oblik:

(7.35)

kade {to v e brzina na protokot na krv, s- brzina na ultrazvu~niot bran (1540 m/s), f e Doplerovata promena na frekvencijata (ja meri instrumentot i iznesuva od 20 Hz - 20 kHz), f0 e frekvencijata na ultrazvukot (obi~no e vo dijapazon 2,5-10 MHz) , e agolot me|u UZ -bran i nasokata na protokot na krvta (zavisi kako se drì sondata).

Vo krvnite sadovi krvnite zrnca se dviàt so razli~ni brzini pa zatoa postojat razli~ni frekventni razliki. Site tie formiraat sloèn reflektiran bran {to se vra}a vo priemnikot. Za da se dobijat poedinite brzini treba da se razloì ovoj bran. Toa se pravi so matemati~ka analiza - brza Furieova transformacija (FFT) {to bara dobar kompjuter zaedno so ultrazvu~niot aparat. Kako rezultat na FFT se dobiva spektralna analiza. t.e. grafi~ka pretstava za brzinata na protokot na krvta. Kaj dobrite instrumenti vo boja (Doppler Color Flow Imaging),

71


odredena brzina e pretstavena so nijansa na crvenata ili sinata boja (zavisno od nasokata na dvièwe na krvta). Poradi ednostavnosta vo rakuvaweto, kvalitetnite rezultati, bezbolnata primena i ekonomi~nost, Dopleroviot metod e prakti~no nezamenliv vo neinvazivnata kardiovaskularna dijagnostika.

Kako najnova tehnika e dijagnosti~ko-terapiska ultrazvu~na aparatura. Minijaturen ultrazvu~en generator-detektor e smesten na vrvot na tenok kateter so koj{to moàt da se sondiraat krvonosnite sadovi, òl~nite pati{ta itn. Ovaa tehnika ovozmoùva istovremeno lokalizirawe i otstranuvawe na stesnuvawata vo krvnite sadovi, tumorni izrastoci i drugi patolo{ki promeni. Metodot e isklu~itelno perspektiven za dilatirawe na koronarnite krvni sadovi.

72

Documents

15 Bio Akus Tika