Биоакустика. Физические основы акустики
ТБ при работе с лазерами
Потенциальную опасность для организма человека при работе с лазерами представляет прямое и рассеянное лазерное излучение. В наибольшей степени ему подвержены глаза и открытые участки кожи. Во избежание этого необходимо выполнение следующих требований.
• Интенсивность лазерного излучения не должна превышать предельно допустимый уровень (ПДУ), установленный ГОСТом.
• Вблизи направления (трассы) прохождения лазерного луча не должно быть предметов с зеркальными поверхностями.
• Должна быть исключена возможность неконтролируемых перемещений лазерного луча.
• Зеркальные поверхности оборудования должны быть покрыты неотражающими материалами.
• Необходимо использовать специальные защитные очки (изготовленные из из специального сине-зеленого стекла) – при работе с лазерами разного диапазона:
– при красном излучении – для профилактики цистранс-изомеризации ретинала колбочек и палочек сетчатки;
|
|
– при инфракрасном излучении – для профилактики ретинопатического действия;
– при ультрафиолетовом излучении – для профилактики поражения хрусталика и сетчатки.
• Следует помнить, что и при работе в защитных очках запрещается попадание луча на глаза.
Акустикой (греч. акустикос – слуховой) называют область физики, исследующую упругие колебания и волны, методы получения и регистрации этих волн, их взаимодействие с веществом и биологическими объектами, а также их разнообразные применения.
Звук в широком смысле слова представляет собой упругие волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах с частотами от 0 до 1013 Гц. В узком смысле слова под звуком понимают явление субъективного восприятия этих волн человеком или животными. Считается, что область слышимости человека находится в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, однако границы этого диапазона условны.
Вещество с, м/с (rс)·10–6, кг/(м2·с)
Воздух (при 0°С) 331 0,00043
Вода 1497 1,49
Сталь углеродистая (с ||) 5100 40,0
Гладкие мышцы 1550 1,54
Жировая ткань 1460 1,32
Мозг 1520 1,6
Кости черепа (с ||) 3660 6,22
Печень 1570 1,7
Хрусталик 1650 1,73
Стекловидное тело 1530 1,54
Примечание. Приведенные в таблице значения скоростей звука в биологических тканях представляют собой средние значения результатов измерений, проведенных разными исследователями.
Чем больше частота, тем более высоким по тону воспринимается звук. Так, мычанию соответствует частота около 50 Гц (длина волны в воздухе 6,6 м), а комариному писку – частота порядка 10 кГц (длина волны около 3 см). Акустические волны в твердых телах могут быть поперечными (^) и продольными (||), а в жидкостях и газах, в которых отсутствуют деформации сдвига, возможны только продольные волны, представляющие собой чередующиеся области сгущений и разрежений.
|
|
Скорости звука в твердых телах (с ^ и с ||) и в идеальном газе (с г) можно вычислить по формулам
где Е –модуль Юнга; G – модуль сдвига; s – коэффициент Пуассона; r – плотность среды; Т –абсолютная температура; m - молярная масса; R – универсальная газовая постоянная и
g = CPICV – отношение теплоемкости вещества при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. При малых значениях с || @ с ^Ö2.
Значения скоростей звука в некоторых веществах приведены в таблице. Скорости звука в газах по порядку величины сравнимы со средними скоростями движения молекул газа, которые при нормальных условиях равны сотням м/с. Скорости звука в жидкостях находятся в пределах от 1 до 1,5 км/с. Поскольку мягкие ткани животных состоят в значительной степени из водных растворов, то скорость распространения звука в них примерно такая же, как в воде. Скорости звука в твердых телах равны 2–6 км/с.
Область вещества, в которой распространяется звуковая волна, называют акустическим полем, которое характеризуют интенсивностью звуковой волны и акустическим давлением.
Интенсивностью волны I называют величину, численно равную средней по времени энергии Е, переносимой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны:
где S – площадь поверхности, через которую проходит волна; t – время ее прохождения через эту поверхность. Единица измерения интенсивности волны: Дж/(м2·с) = Вт/м2.
Звуковым, или акустическим, давлением называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды, например над атмосферным давлением), образующееся в участках сгущения частиц в акустической волне. Амплитудное значение акустического давления р а связано с амплитудой волны А, ее циклической частотой и, скоростью распространения в веществе с и плотностью вещества m следующим соотношением р а = Аwrс
Произведение Аw есть величина амплитуды колебательной скорости частиц вещества в волне, а величина рс называется удельным волновым, или акустическим, сопротивлением среды и характеризует рассеяние энергии волны в акустическом поле. Полное акустическое сопротивление на площади S равно rcS. Для краткости в дальнейшем мы будем говорить об акустическом сопротивлении, не добавляя слово «удельное». Следует отметить, что понятия волнового и акустического сопротивлений совпадают лишь для плоской волны. Можно показать, что интенсивность плоской синусоидальной волны связана с акустическим давлением следующей зависимостью
Единица измерения удельного акустического сопротивления – кг/(м2·с). Акустическое сопротивление является важной характеристикой акустических свойств вещества. Его значения для некоторых веществ, встречающихся в ветеринарной практике, приведены в таблице.
Для наглядного представления о величинах звукового давления и интенсивностей звука приведем следующий пример. Пронзительный, еле переносимый человеком звук гудка локомотива создает избыточное давление примерно в 90 Па. Воспользовавшись формулой и данными таблицы, вычислим интенсивность звука в воздухе
Таким образом, энергия, переносимая звуком, очень невелика.
При падении звуковой волны на границу раздела двух сред часть ее отражается, а часть преломляется и переходит в другую среду. Доля звуковой энергии, перешедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения между величинами акустических сопротивлений обеих сред. Коэффициентом отражения г называют отношение интенсивностей отраженной и падающей волн. Этот коэффициент при нормальном падении волны на плоскую границу раздела вычисляют по формуле Рэлея
|
|
Из формулы Рэлея видно, что если акустические сопротивления двух сред равны, то волна не отражается и полностью переходит в другую среду. Напротив, чем больше различаются между собой акустические сопротивления, тем меньшая доля звуковой энергии проникает через границу раздела. Легко подсчитать, использовав данные таблицы 4, что из воздуха в воду переходит всего 0,12% интенсивности падающего звука, а 99,88% отражается от границы раздела, т. е. происходит практически полное отражение. Долгое время считалось, что рыбы и морские животные не обладают акустической сигнализацией. Исследования последних десятилетий показали, что водные обитатели испускают звуковые сигналы в целях ориентировки (звуколокация), во время охоты и брачных игр, в моменты опасности. В настоящее время собраны фонотеки голосов жителей моря, эти записи используют для изучения биологии рыб, для обнаружения рыбных косяков и их приманки. Однако, несмотря на то что море так же наполнено звуками, как лес пением птиц, человек не в состоянии услышать эти «голоса» морских обитателей из-за того, что в воздух выходят лишь десятые доли процента тех звуков, которые создаются в воде. Даже погрузившись в воду, человек плохо слышит звуки потому, что барабанная перепонка рассчитана на колебания в воздухе, а не в воде, плотность которой в 750 раз больше плотности воздуха. Тем не менее, как это хорошо известно рыболовам, рыбы слышат звуки, издаваемые на берегу, несмотря на то что доля интенсивности звука, переходящего из воздуха в воду, так же мала, как и доля интенсивности звука, переходящего из воды в воздух. Это парадоксальное явление объясняется тем, что из-за большой плотности воды и большой скорости: звука даже при малой интенсивности величина избыточного давления в ней довольно значительна. Отношение акустических давлений в воде и в воздухе равно
Подставляя в это выражение значения акустических сопротивлений и величину отношения интенсивностей звука в воде и в воздухе, получаем k = 2. Таким образом, величина акустического давления звука, перешедшего из воздуха в воду, в 2 раза больше, чем в воздухе, и следовательно, звуки, создаваемые на берегу, при переходе в воду становятся в 2 раза «громче» (если громкость измерять по величине избыточного давления, а гидрофоны и звуковоспринимающие органы рыб рассчитаны именно на восприятие избыточного давления). Наоборот, при переходе звука из воды в воздух величина акустического давления резко снижается.
|
|
При распространении волны в веществе ее энергия расходуется на приведение частиц вещества в колебательное движение, и поэтому энергия волны с расстоянием уменьшается, волна «затухает». Термин «затухание» более общий, чем «поглощение». Затухание волны обусловлено не только поглощением, но и отражением ее от границ раздела между слоями вещества с разными акустическими сопротивлениями, а также рассеянием ее на элементах микроструктуры вещества. Эти факторы особенно существенны при распространении звука в биологических объектах.. При затухании звука, обусловленном рассеянием и поглощением, интенсивность звука уменьшается по экспоненциальному закону I = I 0 e6l, где I 0 и I – соответственно интенсивности звука на поверхности вещества и на расстоянии l от поверхности; d – коэффициент затухания, который в однородной среде равен
где l – длина волны звука; с – ее скорость в веществе; h – коэффициент вязкости и r – плотность вещества.
Коэффициент затухания сильно уменьшается при увеличении длины волны. Поэтому звуки высокой частоты не распространяются в воздухе на далекие расстояния. Если необходимо, чтобы звук был слышен далеко, выгоднее использовать низкочастотные источники звука (например, пароходные гудки). Большое затухание звука происходит в неоднородных и пористых телах в связи с тем, что звук отражается на границах раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. Хорошо известно ослабление звука мягкими тканями (войлоком, поролоном). В настоящее время производятся материалы, которые позволяют как за счет поглощения, так и за счет рассеяния значительно уменьшать интенсивность проникающих в помещения шумов.