3. Восприятие звука. Закон Вебера – Фехнера

Механизм восприятия звука следующий. Под влиянием переменного звукового давления колеблется барабанная перепонка П – мембрана, закрывающая наружный слуховой проход Р . Эти колебания передаются трем сочлененным слуховым косточкам: молоточку М, наковальне Н и стремечку С, расположенным в полости, называемой средним ухом. Стремечко передает колебания мембране внутреннего уха В, которое представляет из себя костную полость сложной формы, называемую лабиринтом, заполненную жидкостью. Колебания жидкости передаются слуховым волоскам – рецепторным слуховым клеткам , находящимся в улитке У внутреннего уха. К слуховым волоскам подходят разветвления волокон слухового нерва. При механических колебаниях на волосках возникают электрические заряды, создающие дополнительную разность потенциалов (напряжение). Этот электрический сигнал по слуховому нерву передается в головной мозг и создает эффект слышимости.

Восприятие звука определяется двумя порогами: порогом слышимости, то есть минимальной интенсивностью, которую мы ощущаем и болевым порогом, то есть максимальной интенсивностью, которую мы переносим. Наше ухо воспринимает очень широкий диапазон интенсивностей, различающихся в 1013 раз. Это происходит благодаря механической костномышечной системе ослабления больших интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера, отражающий указанную выше биологическую закономерность, присущую нашему слуху: приращение силы ощущения звука пропорционально логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых звуковых раздражений.

Как звук высокой интенсивности, так и его отсутствие (полная тишина) оказывают стрессовое действие. Длительное нахождение в таких условиях в обоих случаях приводит к возникновению заболеваний сердечно-сосудистой и нервной систем. (Например, для нормального сна оптимальным является уровень 20-30 дБ, для производственных помещений допустимый уровень интенсивности 45-55 дБ. Диапазон, соответствующий нашей речи, порядка 40-80 дБ. Звук в 65-70 дБ и выше оказывает на человека неблагоприятное стрессовое воздействие с понижением слуховой чувствительности.)

Повышенные шумы приводят к снижению скорости роста (продуктивности) и воспроизводства сельскохозяйственных животных . К примеру, на свинофермах запрещается уровень шумов более 80 дБ, поскольку под действием шума в 70-80 дБ у свиноматок прекращается лактация. У коров при таком шуме нарушается рубцовое пищеварение, а лактация снижается на 30%. У кур шум в 90-100 дБ приводит к снижению живой массы и яйценоскости. Поэтому одним из существенных требований к современным механическим устройствам на животноводческих комплексах является низкий уровень шума при их работе.

Область слышимости у крупного рогатого скота и кур почти такая же, как у человека. Однако у многих животных она сдвинута в сторону более высоких частот: у собак – до 60 кГц, у летучих мышей и комаров – до 100 кГц и выше.

4. Инфразвук и ультразвук. Использование ультразвука в медицине, ветеринарии и биотехнологии.

Эти звуковые волны слуховым аппаратом человека не воспринимаются. Частотный диапазон инфразвуковых волн до 20 Гц. Поэтому источниками инфразвука являются тела, колеблющиеся с низкой частотой. Например, листья деревьев и сами деревья, колеблющиеся на ветру, различные взрывы, в том числе грозовые раскаты грома, землетрясения, хорошо ощущаемые некоторыми животными заранее.

Поскольку инфразвуковые волны имеют большую длину, они слабо затухают и распространяются на большие расстояния. Биологическое действие инфразвука определяется тем, что его частота совпадает с собственными либо резонансными, либо функциональными частотами как тела человека или животного, так и их органов. Так, брюшная полость человека резонирует на частотах 4-8 Гц, что и вызывает тошноту. Опасность для нервной системы представляет резонанс инфразвука с α-волнами головного мозга на частоте 7 Гц. Вынужденные колебания сердечно-сосудистой системы и сердца под влиянием инфразвука могут приводить к кровоизлияниям и разрывам кровеносных сосудов, что было установлено на опытах с животными при воздействии на них инфразвука с интенсивностью 170 дБ. Раздражения рецепторов, передающих сигналы в нервную систему, приводят к психическим расстройствам с возникновением чувства тревоги и страха. Парализуются все виды интеллектуальной деятельности. При интенсивности 180 дБ происходит паралич со смертельным исходом. Не случайно поэтому в настоящее время инфразвук относят к так называемому нелетальному оружию.

В отличие от инфразвука ультразвук гораздо полезнее, и в этом мы сейчас сами убедимся. Частотный диапазон ультразвуковых волн начинается от 20 кГц. Это высокочастотные колебания и распространяются на сравнительно малые расстояния в несколько сантиметров. В технике источником ультразвука являются пьезоэлементы: пластина из пьезокристалла , соединенная с генератором переменного тока. В природе у некоторых животных, например дельфинов и летучих мышей, имеются специальные органы, излучающие ультразвук. С помощью ультразвука эти животные могут ориентироваться в пространстве (эхолокация) и охотиться.

Использование

Так, в диагностической практике для ультразвуковой локации создан метод УЗИ (ультразвукового исследования), основанный на отражении ультразвуковой волны от границ исследуемого органа. При этом ультразвук проявляет границу органов, различающихся по плотности всего на 0,1%. Метод УЗИ точно определяет форму поверхности органа, ее нарушения, изменение объема органа, наличие в нем новообразований (опухолей) и их точные размеры. С помощью ультразвука можно измерять скорость движения эритроцитов в различных участках кровеносной системы, а также жизнеспособность движущихся клеток на основании эффекта Доплера.

Кроме того, ультразвук используется в хирургических операциях по сращиванию костей, удалению опухолей в мозговой ткани без вскрытия черепной коробки, а также в физиотерапии при радикулитах, остеохондрозах, отложениях солей и т.п. Терапевтические частоты 0,5-1,0 МГц и интенсивности 0,1-0,6 Вт/см2 в курсах по 6-12 процедур по 3-15 минут. При этом наблюдается общий для всех физических факторов закон – общестимулирующее действие низких интенсивностей. Напротив, высокоинтенсивный ультразвук (выше 10 Вт/см2 ) вреден, так как вызывает микроразрывы в жидкости, которые разрывают мембраны клеток и даже молекулы биополимеров. Такой ультразвук применяют для стерилизации и гомогенизации различных веществ.

В биотехнологии ультразвук применяется для дробления твердых веществ с получением их эмульсий и суспензий, а также лекарственных аэрозолей, например для лечения астмы. Сравнительно недавно обнаружен эффект резкого увеличения пассивной проницаемости клеточных мембран в момент действия ультразвука. Эффект получил название фонофорез. В связи с этим в химиотерапии открылась возможность существенно уменьшить концентрацию вводимых лекарственных препаратов в область «озвучиваемого» пораженного органа. В биотехнологии этот эффект используется, напротив, для увеличения выхода лекарственных средств – метаболитов из живых клеток-продуцентов. Например, бактерий, производящих интерферон. В настоящее время разработана технология фонофореза, увеличивающая в 2-3 раза получение этого необходимого препарата.