Биолгия | Дыбыс пен биологиялық ұлпалардың физикалық негізі

Акустика (грек тіліде άχούω, akustikos — естілетін, тыңдалатын) — физиканың ең төменгі жиіліктен (шартты түрде 0 Гц) ең жоғарғы жиілікке (1011-1013 Гц) дейінгі аралығын қамтитын серпімді тербелістер мен толқындардарды және олардың затпен өзара әсерлесуі мен түрліше қолданылуын зерттейтін саласы. Акустика — өте ерте заманнан белгілі. Ол алғаш адам құлағы ести алатын дыбыс туралы ілім ретінде дамыды. Ертеде Пифагор (б.з.б. 6 ғ. естілетін дыбыс тонының биіктігі мен перненің не кернейдің (трубаның) арасындағы байланысты тапты. Аристотель (б.з.б. 4 ғ.) дыбыс шығаратын дененің ауаны қысатындығын, оны сирететіндігін, ал жаңғырық дыбыстың кедергіден кері қарай шағылу құбылысы екендігін түсіндіріп берді. Леонардо да Винчи (15-16 ғ.) дыбыстың шағылуын зерттеді, дыбыс толқындарының таралуы дыбыс көздеріне тәуелсіз болатындығын (тәуелсіздік принципі) тұжырымдады. 17 ғ-дың аяғы мен 18 ғ-дың басында Г. Галилей дыбыс шығаратын денеде тербеліс пайда болатындығын және дыбыстың биіктігі оның жиілігіне, ал қарқыны дыбыс амплитудасына тәуелді екендігін тапты. Ауадағы дыбыс жылдамдыдығын алғаш рет франсуз физигі М. Мерсенн анықтаған. 17 ғ.-дың аяғынан 20 ғ-дың басына дейін Акустика механиканың бір бөлімі ретінде дамыды. Механикалық тербелістердің жалпы теориясы, дыбыс толқындарының (сер-пімді) белгілі бір ортада таралу және пайда болу заңдылықтары, дыбыстың негізгі сипаттамаларын (дыбыс қысымы, импульсі, энергиясы, дыбыстың таралу жылдамдығы, т.б.) өлшеу әдістері Ньютон механикасына, Гуктің серпімділік теориясының негізгі заңына, Гюйгенстің толқындық қозғағалыс приципіне негізделіп жасалды. Сөйтіп дыбыс толқындарының диапазоны кеңейіп, Акустика инфрадыбыс (16 Гц-ке дейін) пен ультрадыбыс (20 кГц-тен жоғары) аймақтарын қамтыды. Ағылшын ғалымы Т. Юнг пен франсуз ғалымы О. Френель толқын интерференциясы мен диф-ракциясы теориясын, аустриялық ғалым X. Доплер дыбыс көзінің бақылаушымен салыстырғандағы қозғалуы кезіндегі толқын жиілігінің өзгеру заңын тұжырымдады. Күрделі тербеліс процесін қарапайым құраушыларға жіктеу әдісінің (Фурье әдісі) жасалуы дыбыс анализін және гармониялық құраушылардан күрделі дыбыс синтезін алудың негізі болды. А-ның жоғарыда баяндалған даму сатыларын Дж. У. Рэлей (Дж. Стретт) «Дыбыс теория-сы» (І877-78) деген еңбегінде қорытындылап берді. 20 ғ. 20 ж. радиотехника мен радиохабар таратудың дамуына байланысты Акустиканың жаңа даму сатысы басталды. Дыбыс сигналдарын электр-магниттік сигналдарға және керісінше түрлендірудің қажеттігі туды. Техникалық сұранысқа байланысты акустиканың қолданылатын жаңа бағыттары — әуедегі ұшақтың дыбыс локациясы, гидролокация және Акустикалық навигация, жарылыстың түрін, орнын және уақытын анықтау, авиацияда, өнеркәсіпте, көлікте болатын шуды азайту мәселелері, т.б. пайда болды. Осы мәселелерді шешу үшін дыбыстың пайда болу және жұтылу механизмін, күрделі жағдайларда дыбыс (мыс., ультрадыбыс) толқындарының таралуын жете зерттеу керек болды. Әсіресе, қарқыны күшті дыбыс толқындарының (мыс., жарылыс толқындары) таралуы туралы мәселеге ерекше көңіл бөлінді. Бұл сызықтық емес Акустиканың дамуына әсер етті. 20 ғ-дың ортасынан бастап ультрадыбысты (УД) зерттеудің маңызы зор болды. Дыбыстың көпатомды газдарда, кейіннен сұйықтарда қатты жұтылатындығы және дисперсиясы анықталған-нан кейін Акустиканың жаңа бағы-ты — зат құрылымын УД-пен зерттеу (молекулалық А.) әдісі пайда болды. Қуатты УД тек зерттеу құралы ғана емес, сондай-ақ затқа әсер ету құралына айналды. Бұл УД-тық технологияның дамуына негіз болды. 60-70 жылдары гипердыбысты (1 ГГц-тен жоғары) зерттеу нәтижесінде Акустикалық электроника және акустикалық оптика салалары, сондай-ақ психофизиологиялық акустика жедел дамыды. Қазіргі акустиканың ауқымы кең және ол ғылымның көптеген салаларымен астасып жатады. Оның статистикалық Акустика, қозғалатын орта Акустикасы, кристалдар Акустикасы. физ. Акустика, атмосф. Акустика, геоакустика, гидроакустика, электрлік Акустика. архит. Акустика, құрылыс Акустикасы. УД техникасы, биолог. Акустика, т.б. сияқты салалары бар.
Ультрадыбыс (ультра және дыбыс) — тербеліс жиілігі шамамен 1,5 — 2 • 104 Гц-тен (15-20 кГц)109 Гц (1 Ггц)-ке дейінгі аралықта болатын серпімді толқын. Жиілігі 1010—1013 Гц аралығында болатын ультрадыбыс гипердыбыс деп аталады. Ультрадыбыстың жиілік аймағын: төменгі жиіліктегі (1,5 • 104 Гц), орташа жиіліктегі (105 Гц) және жоғары жиіліктегі (107 Гц) үш диапозонға бөлу қолайлы. Бұл диапазондардың әрқайсысы өздерінің генерациялық ерекшеліктерімен, әдістері, таралуы және қолданылуымен сипатталады. Адам құлағы ультрадыбысты қабылдамайды. Кейбір жануарлар (жарқанаттар, балықтар, жәндіктер, т.б.) ультрадыбысты өздері шығаруға әрі қабылдай алуға қабілетті. Ультрадыбыстық тербелістер жел, су құламасы, жағаға соққан теңіз толқындарының шуылында, моторлар, станоктар мен ракеталық қозғалтқыштардың жұмысы кезінде пайда болады. Ультрадыбысты бірінші рет 20 ғасырдың бас кезінде орыс физигі П.Н. Лебедев (1866 — 1912) зерттеді. Оны іс жүзінде қолдану кейінірек басталып, француз физигі П.Ланжевеннің (1872 — 1946) есімімен байланысты болды. Ультрадыбыстық процестерді зерттеуде француз ғалымы Ф.Савар (1791-1841), ағылшын ғалымы Ф.Гальтон (1883), неміс физигі В.Вин (1903), Г.Пирс (1925, АҚШ), Р.Вуд (1927, АҚШ), С.Соколов (1928, Ресей), т.б. үлкен үлес қосты. Табиғаты жағынан ультрадыбыс серпімді толқындардан тұрады, мұнда оның дыбыстан айырмашылығы жоқ, сондықтан да дыбыстық және ультрадыбыстық толқындардың арасындағы жиілік шекарасы шартты түрде ғана алынады. Алайда неғұрлым жоғарғы жиіліктің, толқындардың қыскалығының арқасында (мысалы жоғарғы жиілікгегі ультрадыбыс толқындарының ұз. ауада 3,4 103—3,4 10~5 см-ді, суда 1,5102-1,5 104см-ді, болатта 510 2—510~4 см-ді құрайды) ультрадыбыстың таралуында бірқатар ерекшеліктер болады. Ультрадыбыстық толқындардың қысқалығы көп жағдайларда олардың таралуын геометриялық акустика тәсілдері арқылы қарастыруға мүмкіндік береді. Бұл шағылуды, сынуды, сондай-ақ фокус аралықтарын сәулелік сурет көмегімен қарастыруға мүмкіндік береді. Ультрадыбыс толқынының қысқалығына байланысты оның таралуы бірінші кезекте ортаның молекулалық құрылымымен анықталады. Ультрадыбыстың көп атомды газдар мен көптеген сұйыктықтарда таралуының сипатты ерекшелігі — дыбыстың күшті жұтылуымен қатар жүретін дисперсия аймақтарының болуы. Бұл эффектілер релаксация процестерімен түсіндіріледі. Ультрадыбыс газдарда, оның ішіңде ауада көп өшу арқылы таралады. Сұйықтықтар мен қатты денелер (әсіресе монокристалдар) ультрадыбысты жақсы өткізеді. Сондықтан орташа және жоғарғы жиіліктегі ультрадыбысты сұйыктықтар мен қатты денелерде, ал ауа мен газдарда төменгі жиіліктегі ультрадыбысты қолданады. Ультрадыбыстың басқа бір ерекшелігі — салыстырмалы түрдегі тербелістердің шағын амплитудаларының өзінде үлкен қарқын алу мүмкіндігі, өйткені бұл амплитудада энергия ағынынын тығыздығы жиілік квадратына пропорционал болады. Ультрадыбыстық толқындардың үлкен қарқыны бірқатар сызықтық емес эффектілермен қатар жүреді. Ультрадыбыстық толқындардың газдар мен сұйықтықтарда таралуы орта қозғалысымен, яғни акустикалық ағынмен қатарласады. Оның жылдамдығы ортаның тұтқырлығы, ультрадыбыспен оның жиілігіне байланысты болып, ультрадыбыс жылдамдығы %-ның мардымсыз үлесін құрайды. Ультрадыбыстың сұйықтықтарда таралуы кезінде пайда болатын маңызды сызықтық емес құбылыстың қатарына акустикалық кавитация жатады. Кавитацияға тән қарқындылық сұйықтықтың тегі мен оның тазалық дәрежесіне, дыбыс жиілігі, температура мен басқа да факторларға байланысты. Ақустикалық кавитация технологиялық процестерде кең қолданылады, мұндай жағдайда төменгі жиілікгегі ультрадыбыс пайдаланылады. Ультрадыбыстық сәуле шығару үшін екі топқа — механикалық және электрмеханикалық топқа бөлінген әр түрлі қондырғылар қолданылады. Ультрадыбыстық механикалық сәуле шығарғыштар — ауа және сұйықтық ысқырықтары мен сиреналар құрылысы мен қолданылуының қарапайымдылығымен ерекшеленеді, қымбат тұратын жоғары жиіліктегі электр энергиясын қажет етпейді. Олардың кемшілігі — сәуле шығару жиілігі спектрінің кендігі мен жиілік пен амплитуданың тұрақсыздығы болып табылады. Негізгі ультрадыбыстық сәуле шығарғыштар — электр тербелістерін механикалық тербелістерге айналдыратын электрмеханикалық сәуле шығарғыштар. Төменгі жиіліктегі ультрадыбыс диапазонында электрдинамикалық және электрстатистикалық сәуле шығарғыштардың қолданылуы мүмкін. Орташа және жоғарғы жиіліктегі ультрадыбыстық сәуле шығару үшін негізінен пьезо-электрлік түрлендірушілер қолданылады. Ультрадыбыстық әдістер қатты денелер физикасында, оның ішінде жартылай өткізгіштер физикасында қолданылады. Ультрадыбыс заттың құрылымын зерттеуде үлкен рөл атқарады. Акустоэлектроника жетістіктерінің негізінде микрорадиоэлектроника саласында сигналдық ақпараттарды өңдеуге арналған аспаптар жасалады. Ультрадыбыс сұйықтықтар мен газдар үшін молекулалық акустика әдістерімен қатар қатты денелерді зерттеу саласында да қолданылады. Әр түрлі орталардың шекарасындағы ультрадыбыстың шағылуын пайдалана отырып ультрадыбыстық аспаптардың көмегімен бұйымның өлшемдерін есептейді (мысалы, ультрадыбыстық қалыңдық өлшегіштер), тікелей өлшеуге мүмкіндік болмайтын ыдыстардағы сұйықтықтардың денгейін анықтайды. Салыстырмалы түрде төменгі қарқынды ультрадыбыс (0,1 Вт/см2-ге дейінгі) ақау табуда қатты материалдардан жасалған бұйымдарға (рельс, ірі құймалар, сапалы прокат, т.б.) бақылау жүргізуде пайдаланылады. Ультрадыбыстың көмегі арқылы дыбыстық көру жүзеге асырылады: Ультрадыбыстық тербелістерді электр тербелістеріне, оны жарық тербелістеріне айналдыра отырып, ультрадыбыстың көмегімен жарық үшін мөлдір емес ортада әртүрлі заттарды көруге мүмкіңдік туады. Заттың үлкейтілген кескінін алу үшін жоғарғы жиіліктегі ультрадыбыстың көмегімен акустикалық микроскоп жасалады. Голографияның дамуы ультрадыбыстық голография саласыңда белгілі бір табыстарға қол жеткізуге мүмкіндік берді. Ультрадыбыс гидроакустикада маңызды рөл атқарады. Жоғары қарқынды ультрадыбыс (негізінен төменгі жиіліктегі диапазон) техникада қолданылады, мұнда ультрадыбыстың көмегімен алюминий бұйымдарды дәнекерлеуді, жіңішке өткізгіштерді шаңданған металл пленкаларға және шалаөткізгіштерге тікелей пісіріп қосуды, пластмассалық бұйымдарды пісіруді, полимерлік пленкалар мен синтетикалық маталарды біріктіруді жүзеге асыруға болады. Сонымен қатар медициналық тәжірибеде әр түрлі диапазондық жиіліктегі ультрадыбыс терапевтикалық және хирургиялық емдеу мен диагноз қоюда қолданылады. Медицинада ультрадыбысты бірінші рет қолдану 20 ғасырдың 30-жылдарында жүзеге асты. 800 — 3000 кГц диапазонында пайдаланып емдеу әдісі ультрадыбыстық терапия деген атауға ие болды. Бұл жиіліктегі ультрадыбыс ортаға түзу сызықты шоғыр дерлік таралып, шектеулі бөлікке әсер етеді және 1-ден 5 — 6 см-ге дейінгі тереңдікке ете алады. Бұл оны әр түрлі органдар ауруларын емдеу үшін пайдалануға мүмкіндік береді; оның көп бөлігін бұлшық еттер сіңіреді, сүйектерге түскен энергияның 40 —60%-ы ауаға таралмайды. Ультрадыбыстың емдік әсер етуінде механикалық (клеткалар мен тіндерге шағын массаж), жылулық (жылудың құрылуы) және физикалық-химиялық (биологиялық белсенді заттардың қалыптасуы) факторлар ерекшеленеді. Тіндерге жылу көбіне ультрадыбысты үздіксіз беріп отыру мен оның көп мөлшерін пайдаланғанда қалыптасады. ....