Воздействие инфразвука на организм человека и животных

Содержание

Введение

Акустика – это наука, изучающая упругие колебания среды и распространяющиеся в среде механические волны с частотами от самых низких (условно от 0 Гц) до предельно высоких 10¹¹-10¹³ Гц (инфразвук, звук, ультразвук).

Звуковые волны могут  служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении ее характеристик от равновесных значений.

Звуком называется колебательное  движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн. Человек слышит звук в диапазоне 20 Гц - 20 кГц. Неслышимый звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц – ультразвуком, самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹-10¹³ – гиперзвуком. 
Инфразвук

Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — звуковые волны, имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0,001 Гц. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд.

Инфразвук не воспринимается человеческим ухом по той причине, что вызываемые им колебания барабанной перепонки слишком медленны, и перилимфа в улитке, будучи сдавлена со стороны овального окна, успевает в течении периода колебания выровнять давление выпячиванием круглого окна. Поэтому инфразвук не может вызвать колебания волокон основной мембраны, связанных со слуховым нервом.

Источники инфразвука

Источником инфразвука может быть любое тело, колеблющееся с соответствующей частотой. Поскольку  частота собственных колебаний  уменьшается с увеличением размеров тела, то обычно инфразвуки возникают при колебаниях, а также при быстрых перемещениях тел, имеющих большие поверхности. Они создаются, например, при резком открывании и закрывании дверей, при ударе по натянутому полотну и т.п.

В природе источниками инфразвука являются грозовые разряды, обвалы, взрывы, землетрясения. Все такие источники инфразвука создают, как правило, несинусоидальные, или импульсные, затухающие колебания.

К основным техногенным источникам инфразвука относится мощное оборудование — станки, котельные, теплоэлектростанции, транспорт, подводные и подземные взрывы. Кроме того, инфразвук излучают ветряные электростанции и, в некоторых случаях, вентиляционные шахты.

Воздействие инфразвука на организм человека и животных

Действию обычного звука  на человека и животных за последние  годы посвящено много исследований. Однако имеющиеся на сегодняшний  день сведения о биологическом действии инфразвука гораздо скуднее и во многом противоречивы. В связи с тем, что инфразвук неслышим, долгое время считалось, что он биологически нейтрален, и изучение его в этом направлении не проводилось. Поводом, заставившим ученых заняться исследованием биологического действия инфразвука, были наблюдения Гавро. Он заметил, что когда в одном из корпусов лаборатории работал мощный вентилятор, создававший акустические волны с частотой 7 Гц, то находившиеся в здании сотрудники чувствовали недомогание, усталость, головные боли. Для проверки был построен генератор, при испытании которого исследователи ощущали сильные внутренние боли, нарушение координации движения и зрения. Оказалось, что инфразвук действует на вестибулярный аппарат, область собственных частот которого лежит в диапазоне от 2 до 20 Гц; под воздействием инфразвука этот орган приходит в резонансные колебания, нарушающие его нормальную деятельность.

Инфразвук вызывает также вынужденные  колебания различных органов. Каждый орган в отдельности обладает той или иной собственной частотой колебаний. Некоторые из них, такие как печень, почки и др., сами по себе не совершают колебательных движений, но под действием внешней периодической силы они могут войти с ней в резонанс. Так, медики обратили внимание на опасный резонанс брюшной полости, происходящий при частотах 4-8 Гц. Резонансные колебания некоторых органов ведут к раздражению различных рецепторов, передающих информацию о раздражителе в нервные центры. Таким образом, инфразвук создает рефлекторные реакции других органов и систем, и его энергия переходит в энергию биохимических процессов, характеризующих ответную реакцию всего организма на действие инфразвукового раздражителя. Эта реакция сопровождается ощущением боли, возникновением неприятных ощущений, затруднением дыхания и т.д.

Особенно вредно воздействие инфразвука на такую объемную резонирующую систему, как сердце. В инфразвуковом поле достаточной мощности возникают  вынужденные колебания сердечной  мышцы, при резонансе их амплитуда  возрастает, что может приводить к разрывам сосудов. Это подтверждается опытами с крысами. После облучения инфразвуком с частотой 7 Гц и мощностью 170 дБ в течении 20 мин у них были обнаружены расширение кровеносных сосудов и кровоизлияния. Если инфразвук находится в противофазе с собственными колебаниями сосудистой системы, то кровообращение тормозится, а при достаточной интенсивности инфразвука сердце может остановиться.

Частоты собственных колебаний  крупных органов, как правило, лежат  в диапазоне от 2 до 17 Гц, что и  обуславливает опасное действие инфразвука. Особенно следует отметить резонанс инфразвука на частоте 7 Гц с колебаниями α-волн мозга. Такой инфразвук даже при небольших интенсивностях вызывает расстройство органов зрения, тошноту, общую слабость. При средних мощностях (140-155 дБ) регистрируют обмороки, временную потерю зрения, а при еще больших мощностях (порядка 180 дБ) – параличи, приводящие к смертельным поражениям. Некоторые исследователи указывают на психическое действие инфразвука. У подвергнутых инфразвуковому воздействию людей поражаются все виды интеллектуальной деятельности, появляется чувство страха, тревоги. Такие же явления имеют место и у животных.

Воздействие инфразвука на сельскохозяйственных животных аналогично действию на человека. В промышленном животноводстве крупный рогатый скот подвергается значительным инфразвуковым воздействиям, которые, наряду со слышимыми звуками, создаются двигателями, компрессорами, электродойками. Нет сомнения, что инфразвук оказывает отрицательное влияние на молокоотдачу и на многие физиологические функции сельскохозяйственных животных.

Действием инфразвука в  настоящее время пытаются объяснить  поведение животных, предшествующее природным катаклизмам, таким, как  землетрясения и цунами. Было, например, замечено, что за несколько часов до сильнейшего Ашхабадского землетрясения змеи выползли из нор и заполонили улицы города. Собаки за несколько минут до удара выбежали из домов на улицу, иногда схватив грудных младенцев. Аномально вели себя и другие животные. Во время страшного цунами в 2004 г. в Индонезии и Таиланде погибли десятки тысяч жителей. Руководитель организации «Космопоиск» В. Чернобров, изучавший последствия цунами на месте происшествия, отмечает, что среди огромного количества трупов людей не было видно трупов животных. Все они, от мыши до слона, заблаговременно ушли в горы, и только те животные погибли, которые были привязаны или находились в запертых помещениях.

Землетрясения и цунами возникают вследствие крупных сдвигов земной коры, которые без сомнения, сопровождаются мощными инфразвуковыми волнами. Поскольку инфразвук распространяется гораздо быстрее, чем, например, морские волны, то он и предупреждает животных о грозящей катастрофе.

Ультразвук

Ультразву́к — упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц.

Ультразвук в природе

В природе ультразвук встречается как в качестве компонентов  многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения (киты, дельфины, летучие мыши, грызуны, долгопяты).

Летучие мыши используют при ночном ориентировании эхолокацию.

У ночных бабочек из семейства  медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих  мышей, преследующих этих насекомых.

Эхолокацию используют для навигации и птицы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки — от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Ультразвуковой эхолокацией  в воде пользуются китообразные.

Методы получения и регистрации ультразвука

Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы.

К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Первый ультразвуковой генератор – свисток Гальтона – представляет собой короткую, закрытую с одного конца трубку с острыми краями, на которые направляется воздушная струя из кольцеобразного сопла. Срывы струи на острых концах трубки вызывают колебания воздуха, частота которых определяется длиной трубки. Свистки Гальтона позволяют получать ультразвук с частотой до 50 кГц.

Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Газоструйные излучатели и сирены служат почти единственными источниками мощных акустических колебаний в газовых средах, в которые из-за малого акустического сопротивления излучатели с твердой колеблющейся поверхностью не могут передать ультразвук большей интенсивности. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых ими частот, что ограничивает область их применения в биологии.

Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию акустических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели.

В 1880 г. французские ученые Пьер и Жак Кюри открыли явление, получившее название пьезоэлектрического эффекта. Если вырезать определенным образом из кристаллов некоторых веществ (кварца, сегнетовой сили) пластинку и сжать ее, то на ее гранях появятся разноименные электрические ряды. При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются. Пьезоэлектрический эффект обратим. Это означает, что если кристалл поместить в электрическое поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). В переменном электрическом поле кристалл будет деформироваться в такт с изменениями направления вектора напряженности и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т.к. продольную акустическую волну.

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания  преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить переменное электрическое напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель ультразвука.

Преобразователи другого  типа основаны на явлении магнитострикции. Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень деформируется – сжимается или растягивается в зависимости от направления вектора напряженности магнитного поля. Если стержень поместить в переменное магнитное поле, то его длина будет меняться в такт с изменениями электрического тока, создающего магнитное поле. Деформация стержня создает акустическую волну в окружающей  среде.

Пьезоэлектрические преобразователи  применяют для получения ультразвука  высоких частот (выше 100 кГц), магнитострикционные – для получения ультразвука меньших частот.

Применение ультразвука в ветеринарии

В ветеринарии широко используют ультразвук для лечения  заболеваний суставов, сухожильного аппарата, мышечный атрофий, атонии преджелудков крупного рогатого скота и т.п. Применяют в ветеринарии и фонофорез, т.е. введение с помощью ультразвука в ткани через поры кожи некоторых лекарственных веществ (гидрокортизона, тетрациклина и др.). Возможны два способа облучения: прямой и иммерсионный. В первом случае ультразвуковой излучатель устанавливают на поверхность тела, покрытой контактной смазкой для улучшения акустического контакта. Во втором случае облучение проводят в водяной бане, где контактным веществом служит вода. У животных для осуществления акустического контакта шерсть приходится выстригать.

В ультразвуковой хирургии используются как вибрирующие хирургические  скальпели, так и фокусированный ультразвук. Ультразвук средней неразрушающей  интенсивности от нескольких источников направляется (фокусируется) в область опухоли, солевых отложений или очага воспаления, создавая там суммарную разрушительную или стерилизующую интенсивность. Для высоких интенсивностей в организме существует опасность распространения ультразвука по каналам с минимальным сопротивлением (плотностью) и проявления разрушительного действия на некотором расстоянии от желаемого места. Ультразвуком можно также рассекать ткани, для чего хирургические инструменты соединяют с магнитострикционными преобразователями. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте от 20 до 50 кГц обычно составляет 10-50 мкм. Преимущества этого метода: снижение усилия резания, уменьшение болевого ощущения при операции, кровоостанавливающий и стерилизующий эффекты ультразвука. Ультразвуковую резку применяют для рассечения любых мягких тканей.