Вы здесь

Акустическая энергия

Механизмы болезнетворного действия звука

Акустические колебания (звук) имеют широкий диапазон физиологического и патологического действия в зависимости от длины волны, частоты колебаний и интенсивности звука.

Звуковые волны оказывают болезнетворное действие только в том случае, когда их энергия значительно больше энергии, действующей на живые объекты в обычных условиях. Незначительные эффекты появляются в звуковом диапазоне от 16 до 18 000 гц при интенсивности 4 вт/см2; существенные эффекты наступают при интенсивности не менее 3 квт/см2.

При интенсивности звука1 около 3 квт/см2 и больше возникают явления, не связанные со слуховым аппаратом, но нарушающие общее состояние организма. Так, при мощности звука около 3 квт/см2 (при частоте 800 гц) теряется способность глаза фокусировать. Между 5 и 8 квт/см2 нарушается управление скелетными мышцами и наступает паралич, полная потеря памяти.

Звуковой пучок с частотой 19 кгц при интенсивности 2 квт/см2 создает ощущение ожога (поднятие температуры до 45°) на открытых частях тела.

Чаще болезнетворный эффект дает шум — сочетание различных по частоте и силе звуков. В настоящее время шум становится болезнетворным фактором широкого спектра действия для большинства цивилизованного населения. Воздействию шума особенно высокой интенсивности подвергаются люди определенных профессий: летчики и обслуживающий персонал авиалиний, кузнецы, ткачихи, штамповщики, проходчики туннелей, -взрывники, литейщики, судостроители и др.

Установлено, что максимальная интенсивность шума (при длительности до 10 секунд), воздействию которой может подвергнуться незащищенный человек без видимых последствий для слуха, составляет 135 дб. Воздействие звука в 150 дб и выше независимо от длительности действия и средств защиты уха является недопустимым.

Длительный, интенсивный шум обусловливает преимущественное поражение слуха, функций нервной и сердечно-сосудистой систем.

При чрезмерном действии шума вначале развивается преходящее слуховое утомление, известное, как временный сдвиг порога слышимости. В дальнейшем оно может вести к потере слуха, вызывая профессиональную тугоухость.

В механизме повреждения слуха чрезмерным шумом немалое значение имеет нарушение метаболизма в чувствительных клетках кортиева органа. Гистологические изменения заключаются в набухании, а также в изменении способности волосатых клеток к окрашиванию, что свидетельствует об их прямом повреждении. В тяжелых случаях возможно поражение всей улитки и полное разрушение кортиева органа — при этом остается лишь обнаженная основная мембрана, проницаемость которой после интенсивной звуковой стимуляции увеличивается. В то же время в нервных проводниках изменений, сопровождающих потерю слуха, вызванную шумом, не обнаружено.

Кратковременное воздействие шума высокой интенсивности может вести к разрыву барабанной перепонки.

При значительно интенсивных шумах (100 дб и больше) возникают нарушения высшей нервной деятельности. Постоянно действующий шум даже небольшой интенсивности приводит к быстрому утомлению, ухудшению памяти, снижению внимания, работоспособности, повышенной раздражительности. При шумах значительной интенсивности функциональные расстройства развиваются быстрее и более выражены. Клинически это проявляется в астено-вегетативном или астено-невротическом синдроме, расстройстве нервно-психической сферы. При этом значительно изменяется биоэлектрическая активность коры головного мозга, снижается сила и подвижность нервных процессов, отмечаются инертность возбуждения, образование застойных очагов его в двигательных и акустических зонах коры головного мозга.



Процент заболеваний нервной системы у лиц, подвергающихся шумовому воздействию, тем больше, чем выше частота шума. Так, отмечено возникновение неврозов у 70% испытателей моторов. Шум большой интенсивности и частоты вызывает функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы, что проявляется в неустойчивости артериального давления с колебаниями в сторону как повышения, так и понижения. Эти колебания обусловлены, по-видимому, резко возрастающей лабильностью нервной системы со вторичным нарушением регуляции сосудистого тонуса. У ряда лиц описываются многообразные электрокардиографические сдвиги в виде синусовой брадикардии, аритмии, удлинения интервала PQ, уширения комплекса QRS и т. д. Изменения функционального состояния миокарда зависят, по-видимому, как от лабильности центральных механизмов регуляции, так и от нарушения кровоснабжения сердца в результате повышения тонуса коронарных сосудов.

Ультразвук. Болезнетворное влияние ультразвука (акустических колебаний частотой от 2•104 до 108 гц, не воспринимаемых человеческим ухом) возникает при превышении его лечебных доз, которые колеблются от 0,1 до 1 вт/см2 и не должны превышать 5 вт/см2. В условиях производства воздействие ультразвука на человека, как правило, сопровождается и действием более или менее сильных звуковых колебаний. У лиц, длительное время обслуживающих ультразвуковое оборудование, могут появиться головные боли, быстрая утомляемость, расстройства сна, раздражительность, повышение чувствительности к звукам. Возможны и некоторые вегетативные реакции — температурные колебания, урежение пульса, вазомоторная лабильность со склонностью к гипотонии и пр. Воздействие ультразвуковых пучков высокой интенсивности вызывает резкую боль, очевидно, в результате чрезмерного нагревания надкостницы.

При распространении акустической энергии в живой ткани патологические эффекты могут возникнуть вследствие следующих процессов; теплового эффекта, механического эффекта и кавитации.

Тепловой эффект, вызываемый звуковыми волнами, складывается из изменений двух типов:

  • 1) периодических изменений температуры, связанных со сжатиями и расширениями (они невелики и мало влияют на биологические явления);
  • 2) постоянного роста температуры вследствие поглощения акустической энергии. Количество поглощаемой энергии зависит от частоты колебаний. При низких частотах (100 гц) поглощается  5—6% энергии, при 1000 гц эта величина уменьшается до 0,2 —0,4%.

Поглощенная акустическая энергия в конечном счете переходит в тепло, что приводит к повышению температуры поглощающей среды.

Тепловой эффект ультразвука при больших интенсивностях определяется частичной кавитацией, которая приводит к сильному повышению локальной температуры. В липидах и белках повышение температуры происходит в основном за счет поглощения звуковой энергии. В других, менее вязких средах значительные изменения температуры вызываются кавитацией.

Кавитация — звуки большой частоты, в особенности ультразвук, вызывают в тканях явление кавитации. Интенсивные звуковые волны, распространяющиеся в жидкости, вызывают в ней периодически возникающие сжатия и разрежение. В местах разрежения возникает разрыв жидкости с образованием микроскопической полости. В эту полость проникают из окружающей жидкости ее пары и растворенные в ней газы. Возникшая полость быстро захлопывается под влиянием последующего сжатия. Продолжительность жизни кавитационного пузырька соизмерима с периодом звукового колебания. Предполагается, что в кавитационном пузырьке возникают большие электрические напряжения и высокие температуры. При этих условиях присутствующие в кавитационных пузырьках молекулы и атомы газов подвергаются ионизации или диссоциации. Например, диссоциируют молекулы Н2О с образованием активных радикалов Н+ и ОН-. Все эти процессы обусловливают разрушение ультраструктуры клеток и разжижение гелей.

Механический эффект — переменное давление, возникающее в тканях при прохождении звуковой волны. Вызывает вязкие течения в протоплазме, приводящие к пространственному перемещению частей клетки или других биологических структур.

Кроме перечисленных эффектов, ультразвук может оказать на живые ткани паралитическое (при умеренной интенсивности) или летальное (при большой интенсивности) воздействие.

Паралитическое действие обусловлено прямым воздействием ультразвуковых колебаний на нервные клетки. Показано, что паралитический эффект не зависит от теплового эффекта и от кавитации (гидростатическое давление в 13 атм, достаточное для предотвращения кавитации, очень незначительно уменьшает паралитическое действие ультразвука).

Летальное воздействие проявляется при действии пучков звука большой интенсивности и, по-видимому, является прямым или косвенным следствием кавитации в тканях. Возможно, имеют значение и другие биологические эффекты ультразвука: если кавитация развивается в присутствии растворенных газов, то на границе газ — жидкость возникают электрические заряды, которые в присутствии растворенного воздуха вызывают образование Н2О2, что может привести ко вторичным химическим реакциям. Ультразвук вызывает также коагуляцию или агглютинацию частиц в газовых суспензиях.