Определение длины звуковой волны

Рассмотрим точку с координатой x = L ₁. Согласно уравнению (9) амплитуда в этой точке максимальна при условии, что

,                                                (10)

где k = 0,1, 2….– целое число, следовательно,

.                                                       (11)

Если на место поршня поместить громкоговоритель (динамик) соединенный с генератором звуковых колебаний, а в конце трубы поместить микрофон, соединенный с осциллографом, то на экране осциллографа будет наблюдаться сигнал с максимальной амплитудой. При этом частота сигнала равна частоте генератора. Перемещая динамик можно заметить, что амплитуда сигнала на экране осциллографа будет уменьшаться и при определенных положениях поршня достигнет своего минимума. Продолжая движение поршня, можно опять добиться максимума сигнала. При этом

.                                                (12)

Согласно (11) и (12) расстояние между двумя ближайшими максимумами равно половине длины волны:

                                                      (13)

Передвигая поршень, можно найти точки L ₃, L ₄ и т.д., в которых также наблюдается максимальный сигнал на экране осциллографа, и, вычислив расстояние между этими точками, по формуле (13) найти длину волны.

Применение звука в медицине

Звук может быть источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний - аускультация (выслушивание). Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп.

Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации.

Опытные врачи применяют более упрощенный способ выслушивания звучания отдельных частей тела при простукивании их - это перкуссия. Метод основан на резонансе звука при прохождении его через различные полости и поглощении другими внутренними органами. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.

Действие ультразвука (УЗ) на вещество и на ткани организма

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны с частотами более 20 кГц. При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия: механическое, тепловое и химическое.

Механическое действие

Действие УЗ на вещество связано в первую очередь с деформациями, которые происходят в результате поочередного сгущения и разряжения частиц среды, вызываемого УЗ волнами. При вынужденном колебательном движении частицы создают переменное давление в среде. В жидких средах при действии ультразвука амплитуда переменного давления изменяется в зависимости от плотности среды, скорости распространения УЗ волн и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения (пониженное давление) жидкость может разорваться, и в ней могут образоваться микрополости (каверны), заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией.

Если в том месте, где образуется кавитационный пузырек, будет находиться какая-либо структура, то она может разрушиться. Например, если в жидкости содержатся бактерии, то они разорвутся и погибнут. Однако разрушение частиц происходит только в том случае, когда их размеры больше длины полуволны УЗ, т.е. если они захватывают области с повышенным и пониженным давлением. В противном случае частицы будут только колебаться с частотой УЗ.

Таким образом, УЗ волна оказывает механическое действие, в основе которого лежит действие переменного давления, создающего кавитацию.

Тепловое действие

Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука, существуют короткое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь на протяжении полупериода колебаний, затем сменяется повышенным давлением, что приводит к быстрому захлопыванию микрополостей. В результате увеличения колебательного движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших объемах выделяется большая тепловая энергия, что приводит к повышению температуры среды. Следовательно, УЗ оказывает тепловое действие. Тепловой эффект УЗ зависит от его интенсивности и длительности.

Химическое действие

При захлопывании каверн молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей. Это в свою очередь, приводит к образованию ионов и радикалов. Например, в биологическом объекте молекула воды расщепляется на водород и гидроксильную группу, образуются радикалы водорода и гидроксильной группы. Ионы и радикалы вступают во взаимодействие с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами, что может привести к пространственной перестройке внутриклеточных молекулярных компонентов. Таким образом, при кавитации образуются реакционноспособные вещества, которые вступают во взаимодействие с молекулами, следовательно, УЗ оказывает химическое действие. Проявляется химическое действие не сразу после облучения, а по истечению некоторого времени.