Wykładowca: mgr A. Szczepanek
Biofizyka - ćwiczenia 05.03.2011
(sobota)
Opracowanie na podstawie: notatek od RM - informacje się pokrywają; własnych notatek z ćwiczeń; podręcznika Podstawy Biofizyki - Pilawski.
Fala akustyczna:
Fale akustyczne są podłużnymi falami mechanicznymi, które mogą rozchodzić się w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zaburzenie będące falą akustyczną polega na chwilowych zmianach gęstości ośrodka w skutek czego powstają chwilowe różnice ciśnień. Ze względu na częstotliwość fale akustyczne dzielimy na następujące rodzaje:
Fale dźwiękowe, to fale które działając na ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia. Zakres częstotliwości tych fal to od 16Hz do 20kHz.
Fale ultradźwiękowe, to niesłyszalne dla człowieka fale akustyczne o częstotliwości większej od 20 kHz.
Fale infradźwiękowe są to niesłyszalne dla człowieka fale akustyczne o częstotliwości mniejszej od 16 Hz.
Prędkość rozchodzenia się fali akustycznej zależna jest od właściwości sprężystych ośrodka. Ton odnosi się do fali dźwiękowej sinusoidalnej o ściśle określonej amplitudzie i częstotliwości oraz długości. Źródłem takiej fali jest drgający kamerton. Dźwięk jest złożeniem pewnej liczby tonów. Dźwięk jest falą periodyczną, ale nie sinusoidalną. Każdy dźwięk można rozłożyć na sumę pewnej ilości tonów, czyli fal sinusoidalnych. Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości. Im częstotliwość większa, tym dźwięk jest wyższy.
Poziom natężenia fali akustycznej wyrażamy w belach [B] lub decybelach [dB]
Źródłem dźwięku może być ciało drgające lub przepływ powietrza przez przewężenia. Np. membrana głośnika poruszając się na zewnątrz powoduje zagęszczanie cząsteczek powietrza w bezpośrednim jej sąsiedztwie; podczas cofania się membrany następuje chwilowe zmniejszenie gęstości w jej sąsiedztwie.
Obiektywne wielkości charakteryzujące dźwięk:
prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej - zależy od właściwości fizycznych ośrodka. W powietrzu w warunkach normalnych dźwięk rozchodzi się z prędkością 330 m/s. W próżni dźwięk się nie rozchodzi - brak ośrodka
długość fali dźwiękowej - długość fali jaką przebyła w ciągu jednego okresu; w powietrzu długość fali dźwiękowej wynosi od 1,7 cm do 21 m
ciśnienie akustyczne - dodatkowe ciśnienie ponad ciśnienie równowagi ośrodka wywołane rozchodzeniem się fali dźwiękowej
L = 20log *( P/P0 )
częstotliwość - liczba okresów drgań przypadająca na 1 s - im wyższa jest częstotliwość tym dźwięk jest wyższy
natężenie - ilość energii przepływającej w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do fali. Jednostką natężenia jest wat podzielony przez metr kwadratowy
Infradźwięki:
Charakterystyczną cechą infradźwięków są znaczne długości fal powyżej 21,25 m powodujące, że są one bardzo słabo tłumione nie tylko przez ściany, pofałdowanie terenu i inne obiekty, lecz także przez atmosferę, dzięki czemu mogą przenosić się na znaczne odległości. Mogę też ulegać łatwo wzmocnieniu wskutek zjawiska rezonansu pomieszczeń i elementów konstrukcyjnych. (Infradźwięki - fale dźwiękowe niesłyszalne dla człowieka, ponieważ ich częstotliwość jest za niska, aby odebrało je ludzkie ucho. Słonie i wieloryby, które słyszą infradźwięki wykorzystują je do komunikacji na duże odległości.)
Źródła infradźwięków można podzielić na naturalne i sztuczne.
Naturalne:
bolidy
duże wodospady,
fale morskie,
lawiny,
silny wiatr,
pioruny,
tornada,
trzęsienia ziemi (fale sejsmiczne),
wulkany,
Sztuczne:
ciężkie pojazdy samochodowe,
drgania mostów,
eksplozje,
głośniki,
odrzutowce i śmigłowce,
przemysł (sprężarki tłokowe, pompy próżniowe i gazowe, wieże wiertnicze, turbodmuchawy, elektrownie wiatrowe),
rurociągi,
urządzenia chłodzące i ogrzewające powietrze.
Infradźwięki mogą powodować:
wydłużenie czasu reakcji,
zmniejszenie spostrzegawczości,
zaburzenia równowagi.
Ale również znane są efekty słuchowe, tłumaczone nieliniowością przewodzenia w obrębie ucha środkowego i wewnętrznego. Progi percepcji słuchowej infradźwięków gwałtownie wzrastają wraz ze spadkiem częstotliwości i mogą powodować:
ból uszu,
czasowe przesunięcie progu słuchu,
zaburzenia rozumienia mowy.
Infradźwięki mogą być też odbierane przez receptory wibracji, szczególnie w mięśniach, ścięgnach i stawach oraz na skórze. Progi czucia drgań leżą około 20÷40 dB powyżej progów percepcji słuchowej. Infradźwięki mogą wywoływać drgania rezonansowe w poszczególnych tkankach i narządach organizmu, w szczególności w obrębie jamy brzusznej, klatki piersiowej i gardła.
Działanie biologiczne infradźwięków
- ruch wiatru napotykającego przeszkodę a następnie opływającego ją przyczynia się do powstania drgań powietrza o częstotliwości zależnej od powstania takich parametrów jak prędkość przepływu powietrza oraz kształt i wielkość przeszkody.
Działanie biologiczne infradźwięków
Ultradźwięki:
są to fale mechaniczne o częstotliwość powyżej 20kHz (poza granicami słyszalności)
występują w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych
zwierzęta (delfiny, nietoperze) mają zdolność wytwarzania i odbierania
częstotliwość ultradźwięków jest niezmienna
prędkość ultradźwięków jest taka sama jak fala dźwiękowa
Rozchodzenie się ultradźwięków w tkankach
fale ultradźwiękowe rozchodzą się w tkankach mogą ulec:
Odbiciu, załamaniu, dyfrakcji (ugięcia), rozproszenia, absorpcji
Odbicie następuje przez przechodzenie fali ultradźwiękowej (padające prostopadle) przez granice dwóch ośrodków o różnej odporności skutecznej (jest to iloczyn gęstości danego ośrodka i prędkość rozchodzenia się w nim fali. Podczas przechodzenie z powietrza do tkanki miękkiej współczynnik część energii przeszła z powietrza do tkanki, ze względu na to stosuje się w diagnostyce specjalne żele, parafiny. Podobne zjawisko zachodzi na granicy tkanek
Załamanie - następuje gdy wiązka fal pada na granicę dwóch ośrodków pod innym kątem niż kąt prosty
Biologiczne działanie ultradźwięków
Wyróżniamy pierwotne i wtórne działanie ultradźwięków. działanie pierwotne prowadzi bezpośrednio na miejsce działania ultradźwięków, a działanie wtórne wynika z działania pierwotnego i może oddziaływać na cały organizm
Absorpcja i tłumienie
Przyczyną tłumienia fali akustycznej propagującej się w ośrodku jest utrata części
energii fali na skutek absorpcji lub rozpraszania. Absorpcja może zachodzić
z powodu:
- lepkości ośrodka,
- przewodnictwa cieplnego i promieniowania cieplnego,
- relaksacji molekularnej.
Pochłanianie - w akustyce jest procesem absorbowania energii fali dźwiękowej przez ciała fizyczne. Na skutek pochłaniania energia fali przechodzącej przez ciało ulega zmniejszeniu, powodując wzrost energii wewnętrznej tego ciała.
Skutki działania ultradźwięków
Mechaniczne
Spowodowane jest ono wahaniem ciśnień
w przebiegu fali ultradźwiękowej. W krańcowych punktach amplitud ciśnień zachodzą istotne zmiany objętości komórek, rzędu 0,02%. Zmiany te zachodzą w bardzo krótkim czasie, zależnym od częstotliwości ultradźwięków
Termiczne
Efekt termiczny - rozgrzewanie tkanek podczas badania ultradźwiękami - związany jest z pochłonięciem części energii fali przez tkanki i zamianą jej na ciepło. Efekty biologiczne zależą od stopnia wzrostu temperatury i czasu utrzymywania się przegrzania.
Chemiczne
Zachodzące pod wpływem ultradźwięków reakcje chemiczne polegają w większości na utlenianiu
Zastosowanie:
- czynne - wywołuje zmiany fizyczne, chemiczne i biologiczne
- bierne - nie ingerują w daną strukturę.
Zastosowanie medyczne:
- leczenie chorób reumatycznych, narządów ruchu, tkanek
- niszczenie zmian patologicznych
- sterylizacja sprzętu lekarskiego
- dezintegracja komórek, rozdrabnianie
- usuwanie kamienia nazębnego
- litotrypsja
- peeling kawitacyjny
- wytwarzanie aerozoli do inhalacji
- sonofereza
Zastosowanie pozamedyczne
- czyszczenie
- wytrącanie składowych mieszaniny
- krystalizacja
- przyspieszenie dyfuzji
- homogenizacja
- filtracja
Ultrasonografia, USG - nieinwazyjna, atraumatyczna metoda diagnostyczna, pozwalająca na uzyskanie obrazu przekroju badanego obiektu. Metoda ta wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się, rozpraszania oraz odbicia fali ultradźwiękowej na granicy ośrodków, przy założeniu stałej prędkości fali w różnych tkankach równej 1540 m/s. W ultrasonografii medycznej wykorzystywane są częstotliwości z zakresu ok. 2-50 MHz.
Jednym z bardzo popularnych obecnie zastosowań ultrasonografii jest USG naczyń krwionośnych z wykorzystaniem zjawiska Dopplera. USG dopplerowskiepozwala na ocenę prędkości oraz kierunku przepływu krwi w naczyniach. Jako metoda całkowicie nieinwazyjna jest obecnie najpopularniejszym typem badania naczyń pozwalającym na dokładną ocenę zmian w zdecydowanej większości przypadków. Metoda wykorzystywana jest np w skleroterapii.
Litotrypsja, ESWL (z ang. extracorporeal shock wave lithotripsy) - zabieg urologiczny polegający na pozaustrojowym skruszeniu kamienia w pęcherzu moczowym, moczowodzie lub nerce.
Urządzeniem terapeutycznym jest litotryptor, generujący fale ultradźwiękowe prowadzące do wytworzenia fali uderzeniowej i rozkruszenia złogów, których fragmenty wydalane są z moczem drogą naturalną.
Scaling ultradźwiękowy
Zabieg stosowany w stomatologii do usuwania kamienia nazębnego.
Kawitacja - Jest zjawiskiem polegającym na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem różnicy ciśnień.
Wibracje - wstrząsy danego ciała o niskiej amplitudzie i częstotliwości kilkunastu-kilkudziesięciu Hz.
Z biologicznego punktu widzenia wibracje określamy jako przekazywanie drgań mechanicznych z ciała stałego na poszczególne tkanki ciała człowieka lub na cały organizm. Wibracja i wstrząsy są bodźcami fizycznymi przekazywanymi bezpośrednio z materiału drgającego, z pominięciem środowiska powietrznego. Towarzyszący wibracji dźwięk powstaje na skutek przekazywania części energii drgających cząstek materiału poprzez powietrze do narządu słuchu człowieka.