27. Инфразвук и биологичното му действие.

Инфразвук – това са механични вълни с честота под 20Hz, които не могат да се възприемат от човешкото ухо. Източник на инфразвук може да бъде всяко тяло, трептящо с честота под 20Hz. В природата инфразвук може да се получи при бури, земетресения, взривове и др., в ежедневния живот при рязко отваряне и затваряне на врати, удар по опънато платно и др. В промишлеността може да се получи в резултат на действието на различни машини и превозни средства. Като генератори на инфразвук служат устройства , подобни на тръби на орган, но с много по-голяма дължина. Мощността на такива генератори зависи от тяхния диаметър и скоростта на въздушния поток.

Инфразвукът слабо се поглъща, затова може да се разпространява на големи разтояния. Например инфразвук с честота 3Hz, създаден от източник с мощност 1 W, може да се регистрира на разтояние до 100 км. Това позволява па разпространението на инфразвук по земната кора да се регистрират взривове, да се прогнозират цунами и т.н.

Тъй като има по-голяма дължина на вълната, инфразвукът силно дифрактира и прониква в помещения, заобикаля прегради и може да предизвика резонансни трептения на тела с големи размери като стени, врати и др., които да станат вторични източници на инфразвук.

Инфразвукът оказва неблагоприятно въздействие върху човека – слабост, главоболие, проблеми със зрението, повръщане. Биологичното действие на инфразвука вероятно се дължи на прдизвикването на принудени трептения на различни вътрешни органи. Всеки орган, дори и да не извършва трептение, има някаква собствена честота. Под действие на външна периодична сила, в такива органи може да възникнат резонансни трептения. Честотата на собственните трептения големите органи в човека е между 2 и 17Hz – на коремните органи е между 3 и 4Hz, на гръдната клетка 5-8Hz, т.е. в областта на инфразвуковите честоти. Особено вредно въздействие може да окаже инфразвука върху сърцето. В инфразвуково поле с достатъчна интензивност възникват принудени трептения на сърдечния мускул, при резонанс амплитудата на трептенията може рязко да нарастне и да доведе до разкъсване на кръвоносни съдове. Опасни са и трептения с честота 7Hz, тъй като съвпадат с a - вълните на мозъчната електрична активност. Инфразвек с такава честота при голяма интензивност предизвиква припадъци, временна загуба на зрение и дори парализа.

28. Ултразвук. Взаимодействие на ултразвука с веществото. Биологично действиена ултразвука.

28.1. Физична природа и получаване.

Ултразвук – това са механични трептения и вълни с честота над 20 000Hz. Скоростта им на разпространение е близка до тази на звука. За получаване на ултразвука се използват механични и електромеханични генератори.

Механичните представляват газоструйни излъчватели – свирки и мембранни генератори. Електромеханичните са два вида – пиезоелектрични и магнитострикционни.

Пиезоелектричните се основават на явлението пиезоелектричен ефект – върху пластинка от определени кристални вещества като кварц, сегнетова сол, вариев титанат и др. под действие на механично напрежение ( свиване или разтягане) и се появяват разноименни електрични заряди. Ако пластинка от такъв кристал се постави в електрично поле, то тя ще се деформира в зависимост от полярността на полето – обратен пиезоефект (фиг. 1).

Фиг. 28.1. Илюстрация на правия и обратен пиезоефект.

Ако пък пластинка от такъв кристал се постави в променливо електрично поле, то тя ще се свива и разтяга, т.е. ще трепти с честота, равна на честотата на приложеното електрично поле. При това в пространството около нея ще се създава механична вълна. Ако честотата на променливото електрично поле е в ултразвуковия диапазон, то ще се генерира ултразвукова вълна (фиг. ).

Фиг. 28.2. Пиезоелектричен генератор на ултразвук

При магнитострикционните за получаване на ултразвук се използва явлението магнитострикция. Пръчка от феромагнитно вещество, поставена в променливо магнитво поле, трепти синхронно с честотата на полето. За направата на магнитострикционни преобразуватели се използва никел и желязоалуминиеви сплави.

Обикновено магнитострикционните генератори се използват за получаване на ултразвук с честота до 150kHz, а пиезоелектрични до 10 000 kHz.

28.2. Взаимодействие на ултразвука с веществото.

Действието на ултразвуковите вълни се дължи главно на деформациите, които се получават във веществото под форма на последователно сгъстяване и разреждане на частиците му. В зависимост от интензивността им, тези деформации могат да предизвикат както незначителни струскурни изменения, така и пълно разрушаване на веществото.

При ниски интензивности, по-малки от 0.3.10⁴ W/m² възникват акустични потоци – “звуков вятър”, вследствие на което се размесват течностите, изменят се физичните свойства на суспензии. Ако в течностите има йони или заредени частици с различна маса, то тези частици при озвучаване ще се отклонят на различни разтояния и се получават променливи потенциални разлики. Например такъв ефект ще се получи в разтвор на NaCl, тъй като Na⁺ и Cl^- йони имат различни маси.

При големи интензивности на УЗ вълни в местата на разреждане веществото се разкъсва и се образуват микроскопични кухини. В течностите кухините се запълват с пари на течността. Това явление се нарича кавитация. За чиста вода прага на кавитация е звуково налягане 1.5. 10⁸ Ра. За реалните течности този праг е по-малък. Кавитацията се придружава и с различни електрически и електрахимични ефекти – йонизация на веществото, появата на H₂O₂^-, H⁺, OH^-, NO⁺ и NO₂^- йони във водни разтвори. Затварянето на мехурчетата в следващия полупериоз води до силно нагряване и отделяне на газове. При твърди тела се получана интензивна ерозия.

Поглъщането на УЗ е съпроводено с отделяне на топлина, главно около границите на среди с различно акустична съпротивление.

Озвучаването с УЗ може да се съпровожда с УЗ луминесценция – слабо светене на вода и други течности, свързано с възбуждане на атоми при захлопване на кавитационните мехурчета.

28.3. Влияние на ултразвука върху биологични обекти.

Акустичните потоци, възникващи в клетките при озвучаване с УЗ могат да доведат до промяна на взаимното разположение на клетъчни органели и изменение на вискозитета на цитоплазмата.

Създаването на потенциални разлики може да предизвика деполяризация на мембраните и промяна в проницаемостта им за някои йони.

Под въздействие на УЗ могат да се откъснат части от белтъчни молекули, детатурация на белтъци, собствена дисоциация на водата и образуване на прекис на водата H₂O₂ и на някои мастни киселини, откъсване от клетъчната мембрана на биологично важни макромолекули.

При големи интензивности на УЗ се разрушават клетъчните мембрани, като различните клетки имат различна чувствителнаст.

Общо в биологичните обекти се получава следната верига от реакции:

УЗ въздействие → микропотоци в клетките → промяна в проницаемостта на клетъчните мембрани → изменение в състава на вътреклетъчната среда → нарушаване на оптималните условия за протичане на биохимичните процеси.

Праговата стойност за биологично действие на УЗ е I < 10² W/m² – т.е. такава интензивност на УЗ, при която не се нарушават биологичните мембрани.

28.5. Приложение на ултразвука при пречистване на води.

За интензификация на някои технологични процеси при обработка на води успешно се използва УЗ.

• УЗ способства за коагулация на колоидни разтвори
• УЗ унищожава бактерии, зоопланктон и водорасли
• УЗ разрушава някои крупни частици от полидисперсни системи
• Под действието на УЗ се отделят газови мехурчета, които могат да предизвикат флотация.