II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СКОЛЬКО ВАМ ЛЕТ? ОТВЕТИТ УЛЬТРАЗВУК!

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Думаревская М.С. 1

---

1

Шахова В.В. 1

---

1

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

 Введение

Интерес к необычным фактам нашей жизни появляется неожиданно. Так произошло и в моем случае. В очередной раз выбирая на одном из музыкальных сайтов новенький рингтон для своего телефона, наткнулась на "сенсацию" для подростков - "teen buzz", комментарии потрясали: " супер хитовый рингтон под названием "Teen Buzz" распространяется по телефонам детей через текстовые сообщения и Bluetooth, теперь мы можем любимые СМС-ки и даже звонки принимать прямо во время уроков!!!" Каждый подросток, я думаю, был впечатлен. Но в чем же секрет необычного звонка? Почему его можно использовать даже во время урока? Оказывается, в дело в особом высокочастотном звуке .

Мир, окружающий человека, полон звуков. Правда, человек слышит не все звуки этого мира, а только те, которые находятся в диапазоне от 20 до 20 000 Гц. Известно, что многие животные обладают значительно более широким диапазоном слышимых звуков. Например, дельфины «слышат» звуки частотой до 170 000 Гц, собаки и кошки также имеют более широкий диапазон слышимых звуков. Но слуховая система человека предназначена преимущественно для того, чтобы слышать речь другого человека, и в этом отношении ее совершенство нельзя даже близко сравнивать со слуховыми системами других млекопитающих.

Актуальность исследования

Актуальность данного исследования состоит в том, что, изучив природу ультразвука, можно найти ему массу применений. Мы не задумываемся над тем, какое количество звуков нас окружает, как они воздействуют на организм человека, а главное, в чем состоит принципиальная разница такого воздействия.

Гипотеза: с помощью ультразвука можно определить возраст человека.

Цель исследования – изучение природы ультразвука и его связь с возрастными особенностями человека.

Задачи исследования:

• дать понятие ультразвука

• ознакомиться с устройством слухового аппарата человека

• доказать, что понятия ультразвук и возраст человека связаны

• провести исследование воздействия ультразвуковых волн на лиц, разных возрастных групп

Объект исследования: слуховое восприятие человека

Предмет исследования: высокочастотные звуковые волны

Методы исследования:

• эмпирические: сравнение, исследование

• теоретические: анализ полученных данных

Глава 1. Ультразвук и его свойства

Ультразвук – это колебания упругой среды с частотой выше звуковых. К звуковым относят частоты, воспринимаемые человеческим ухом и попадающие в диапазон от 15 Гц до 20 КГц (частота 1 Герц соответствует одному колебанию в секунду). Колебания с частотой менее чем 15 Гц относятся к инфразвуковым, а с частотой более чем 20 000 Гц относятся к ультразвуковым.

Ультразвуковые колебания передаются в виде продольных волн, которые вызывают попеременное сжатие и разрежение среды или вещества. Амплитуда отклонений частиц среды от исходного состояния зависит от мощности передаваемой энергии: чем больше мощность – тем значительнее отклонения. В длину волны укладываются две области: одна область сжатия и одна область разрежения, при этом длина волны обратно пропорциональна частоте колебаний.

Низкочастотные ультразвуковые волны распространяются сферически. С увеличением частоты колебаний уменьшается длина волны, и пучок ультразвуковых волн становится прямолинейнее. Закономерности распространения высокочастотных ультразвуковых волн аналогичны закономерностям распространения световых волн и обладают такими же свойствами: поглощение, преломление, отражение от границы двух сред.

Именно перечисленные свойства высокочастотных звуковых волн лежат в основе ультразвуковых методов, применяемых для исследования объектов в медицине, дефектоскопии, эхолокации и во многих других областях.

Медицинское применение ультразвука проявляется в ультразвуковых исследованиях и ультразвуковой терапии.

Методы ультразвуковых исследований основаны на том, что все внутренние органы обладают различной эхоплотностью. Некоторые практически без искажений пропускают ультразвуковые волны, другие их преломляют или поглощают. Например, коэффициент поглощения ультразвука костной тканью в 12 – 15 раз выше по сравнению с мышечной.

Терапевтическое использование ультразвука основано на возможности получения концентрированных пучков ультразвуковых волн высокой частоты (800 – 3000 кГц). Пучок таких волн можно локализовать на определенном участке, добившись точечного воздействия на определенный внутренний орган.

Глава 2. Органы слуха

2.1 Строение и физиология наружного и среднего уха.

Наружное ухо включает ушную раковину и наружный слуховой проход. Рельеф ушной раковины играет значительную роль в восприятии звуков. Если, например, этот рельеф уничтожить, залив воском, человек заметно хуже определяет направление источника звука. Наружный слуховой проход человека в среднем имеет длину около 9 см. Есть данные, что трубка такой длины и схожего диаметра имеет резонанс на частоте около 1 кГц, другими словами, звуки этой частоты немного усиливаются. Среднее ухо отделено от наружного барабанной перепонкой, которая имеет вид конуса с вершиной, обращенной в барабанную полость.

Среднее ухо человека состоит из барабанной полости, которая соединена евстахиевой трубой с полостью глотки, и барабанной перепонки с тремя слуховыми косточками (молоточком, наковальней и стремечком), сочлененных между собой (рис. 6.15). Слуховые косточки действуют как рычаги, улучшая передачу звуковых колебаний из воздушной среды наружного слухового прохода в более плотную водную среду внутреннего уха. Здесь имеются также две маленькие мышцы – одна прикреплена к ручке молоточка, а другая – к стремечку (на рис. 6.15 не показаны). Сокращение этих мышц предотвращает слишком большие колебания косточек, вызванных громкими звуками. Это так называемый акустический рефлекс. Таким образом, основной функцией акустического рефлекса является защита улитки от повреждающей стимуляции.

Приложение № 1

2.2. Строение и физиология внутреннего уха.

Из трех отделов органа слуха и равновесия наиболее сложным является внутреннее ухо, которое из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, заполненная лимфатическими жидкостями.

Улитка, которая представляет собой спираль из двух с половиной завитков, закрученных вокруг полого костного веретена. Внутри костного веретена расположены тела чувствительных нейронов, образующие спиральный ганглий. Периферические отростки нейронов спирального ганглия образуют синапсы со вторичными рецепторами улитки (волосковыми клетками), а центральные — составляют слуховой нерв. Перепончатый лабиринт улитки имеет трехгранную форму, его дно образовано основной, или базилярной, мембраной, крыша — вестибулярной, или рейснеровой, мембраной. Заполненная перилимфой полость под базилярной мембраной называется барабанной лестницей, а полость над вестибулярной мембраной — вестибулярной лестницей: обе полости сообщаются у вершины улитки посредством тонкого прохода — геликотремы. Собственная полость перепончатого лабиринта заполнена эндолимфой и называется средней лестницей. На базилярной мембране расположен кортиев орган, состоящий из нескольких рядов волосковых рецепторных клеток, поддерживаемых опорным эпителием. Около 3500 волосковых клеток образуют внутренний ряд (внутренние волосковые клетки), а приблизительно 12—20 тысяч наружных волосковых клеток образуют три, а в области верхушки улитки пять продольных рядов. На обращенной внутрь средней лестницы поверхности волосковых клеток имеются покрытые плазматической мембраной чувствительные волоски — стереоцилии. Волоски соединены с цитоскелетом, их механическая деформация ведет к открытию катионных каналов мембраны и возникновению рецепторного потенциала волосковых клеток.

Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту, причем клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки, а высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки. Когда волосковые клетки от возраста или по другим причинам гибнут, человек теряет способность воспринимать звуки соответствующих частот.

Приложение № 2

2.3 Пределы восприятия звуков

Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания. Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Уровень давления звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее — к нарушение слуха, контузия и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается в диапазоне выше 2 кГц.Существует также способ восприятия звука без участия барабанной перепонки — так называемый микроволновый слуховой эффект, когда модулированное излучение в микроволновом диапазоне (от 1 до 300 ГГц) воздействует на ткани вокруг улитки, заставляя человека воспринимать различные звуки.Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Глава 3. Воздействие ультразвука на организм

Специфическое ощущение, воспринимаемое нами как звук, является результатом воздействия на слуховой аппарат человека колебательного движения упругой среды - чаще всего воздуха. Однако не все колебания среды, доходя до уха, вызывают ощущение звука. Нижней границей слышимого звука являются колебания с частотой 20 колебаний в секунду (20 Гц), верхняя граница лежит между 16 000 и 20 000 Гц. Положение этих границ подвержено индивидуальным изменениям.

При воздействии ультразвука на организм человека отмечается, прежде всего, термическое действие вследствие превращения энергии ультразвука в тепло. Ультразвук вызывает микромассаж тканей (сжатие и растяжение), что способствует кровообращению и, следовательно, улучшению функции ткани. Ультразвук стимулирует обменные процессы и оказывает также нервнорефлекторное действие.

Под влиянием ультразвука изменения отмечаются не только в органах, подвергшихся воздействию, но и в других частях организма. При длительном и интенсивном воздействии ультразвук может вызвать разрушение клеток тканей. Разрушающее действие ультразвука связано, по-видимому, с явлением кавитации - образованием полостей в жидкости, что приводит к гибели тканей и смерти экспериментальных животных. Микроскопические кавитационные пузырьки были обнаружены в межклеточных пространствах животных тканей под влиянием ультразвуковых волн большой интенсивности.

Многие микроорганизмы могут быть разрушены ультразвуком. Так, он инактивирует вирус полиомиелита, энцефалита и др. Стрептококки после воздействия ультразвуком хуже фагоцитируются. Воздействие ультразвуковых волн на белки приводит к серьезным структурным нарушениям белковых частиц и их распаду. При облучении ультразвуком молока разрушается содержащийся в нем витамин С. При так называемом озвучении крови ультразвуком происходит разрушение эритроцитов и лейкоцитов, повышается вязкость и свертывание крови, ускоряется РОЭ. Ультразвук угнетает дыхание клетки, уменьшает потребление кислорода, инактивирует некоторые энзимы и гормоны.

При воздействии ультразвука высокой интенсивности на животных отмечаются сильные боли, облысение, ожоги, помутнение роговицы и хрусталика, гемолиз, серьезные сдвиги биохимического характера (понижение содержания в крови холестерина, мочевой и молочной кислоты), при высоких частотах наступает смерть (мелкие кровоизлияния в различных органах).

Как показывают экспериментальные данные и клинические наблюдения, ультразвук может обусловить серьезные изменения со стороны органа слуха. Ультразвук вызывает разрушение клеток кортиева органа и нервных клеток, кровоизлияния в scala tympani, разрушение и патологическое развитие костной ткани. Предполагают, что выявленные у большого процента населения США изменения слуха связаны со значительным распространением звуковых установок.

У лиц, длительно подвергавшихся воздействию ультразвуковых колебаний, отмечается сонливость, головокружения, быстрая утомляемость. При обследовании обнаруживаются явления вегетативной дистонии.

Глава 4. Область применения ультразвука

Вне указанного диапазона частот также существуют колебательные процессы, физически не отличающиеся от звуковых колебаний и волн, но не воспринимаемые ухом как звуки. Колебания среды с частотами выше верхней границы слуха, порядка десятков и сотен тысяч герц, принято называть ультразвуками. Ультразвук за последние годы нашел широкое применение в народном хозяйстве, биологии и медицине. В США, например, в настоящее время насчитываются миллионы ультразвуковых установок.

В промышленности применяются ультразвуки, частота которых в миллиарды раз превышает интенсивность окружающих нас слышимых звуков. Ультразвуки могут быть фокусированы и создают при этом очень высокое местное давление. Ультразвуком можно дробить вещество и ускорять химические реакции. Ультразвук способен вводить в коллоиды воду. При помощи ультразвука значительно ускоряются процессы дубления кожи, крашения, отбелки и мытья тканей, получения синтетического волокна, заменителей кожи и пластмасс. Ультразвук применяется для дефектоскопии, позволяющей определять внутренние дефекты в деталях, для очистки котлов от накипи, подводных поверхностей кораблей, для лужения алюминием, серебрения и т. д. Ультразвук нашел применение в доменном производстве, на водном транспорте, в рыболовном деле и геологии.

Ультразвук используется в медицине для диагностических целей (выявление инородных тел), в стоматологии (бормашины), для изготовления эмульсий лекарственных веществ и т. д.

В настоящее время ультразвук малой интенсивности широко используется для терапевтических целей.

Ультразвук оказывает сложное и выраженное биологическое действие, сущность которого еще недостаточно выяснена. Это действие, по-видимому, в основном зависит от создаваемых в тканях огромных местных давлений и от местного теплового эффекта, связанного с поглощением энергии при глушении вибрации. Жидкие среды и газы поглощают ультразвук, а твердые тела хорошо его проводят. Кости также являются хорошими проводниками ультразвука.

Глава 5. Приборы для доплерографии

Ультразвуковой метод исследования позволяет получать не только информацию о структурном состоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах. В основе этой способности лежит эффект Допплера — изменение частоты принимаемого звука при движении относительно среды источника или приемника звука или тела, рассеивающего звук. Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной. Следовательно, если источник звука движется с постоянной скоростью, звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая снижение частоты звука. Приложение № 3

Путем сопоставления исходной частоты ультразвука с измененной возможно определить долллеровский сдвиг и рассчитать скорость. Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источник ультразука может быть неподвижным (ультразвуковой датчик), а в качестве отражателя ультразвуковых волн могут выступать движущиеся эритроциты. Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука). В том случае, если направление падения ультразвукового луча не параллельно направлению движения отражателя, необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла q между падающим лучом и направлением движения отражателя

- 8 кГц. Слышит каждый- 12 кГц. 50 лет и ниже14 кГц. 45 лет и ниже15 кГц. 40 лет и ниже- 17 кГц. 24 года и ниже- 18 кГц. 20 лет и младше

В нашем исследовании приняли участие люди разного возраста:

от 13-18 лет - 10 человек

от 20-24 лет - 5 человек

от 25 - 39 лет - 7 человек

от 40 - 44 лет - 8 человек

от 45- 49 лет - 5 человек

от 50 и старше - 4 человека

Исследование проводилось с участием родственников, друзей семьи и даже нашей собаки. 8 кГц-овый звук слышали все, он неприятно действовал на уши. 17 и 18 кГц - овые волны слышали я, мои сестры 14 и 18 лет и собака, которая сильно нервничала. Остальные родственники сидели спокойно, т.к. ничего не слышали. 14 и 15 кГц - овые волны слышали уже не только мы с сестрами, но и мои родители, а также мамина сестра Анжела, которой 39 лет. А вот папина сестра Оля, которой на момент испытания было 44 года, 14кГц - овый звук уже не слышала, чему очень огорчилась, ведь это указывало на ее возраст старше 45 лет. Интереснее всего было наблюдать за бабушками и дедушками, которые в течение всего эксперимента сидели тихо и даже не понимали, почему все остальные по очереди закрывают уши. К сожалению, их слух уже не восприимчив в высокочастотным волнам. Таким образом, все присутствующие подтвердили свой возраст путем восприятия ультразвуковых волн разной длины.

Заключение

В результате рассмотрения данной темы можно сделать следующие выводы. Ультразвук мало изученная область науки, которая хранит в себе еще много тайн. Но взаимосвязь воздействия на слуховые органы человека ультразвука и его возраста мы доказали на примере собственных исследований. Также узнали об интересных фактах применения ультразвука в жизни. Ну а применение "ультразвуковых" СМС можно использовать среди подростков и с правильной стороны, например, как средство оповещения об опасности (в момент террористической угрозы).

Список источников и литературы

1. Гильберт С. Слух. Введение в психологическую и физиологическую акустику. М.: Медицина, 1984

2. И.П. Голямина. Ультразвук. – М.: Советская энциклопедия, 1979.

3. Рингтоны

trindelka.net/forum/mobilnaya-tehnika/rington-dlya-podrostkov

http://www.mag-sluha.ru/interesting/2010-01-05-15-00-34.html

http://science.compulenta.ru/646373/

Приложение № 1

Приложение № 2

Приложение № 3

Эффект Допплера.

22