Механични вълни и звук. Физични параметри на звука: честота, интензивност, скорост на разпространение, звуково налягане. Звуково съпротивление. Екстракорпорална литотрипсия

Когато гласните струни са прилепени една към друга, потокът издишван въздух ги кара да трептят и да го накъсват (фиг. 3.4.3). Как се обяснява това? При затворено положение на гласните струни въздушният поток, достигнал до тях създава високо налягане, което разтваря струните и избутва малка порция въздух в образувания между струните канал (фиг. 3.4.3 а, б). Тази порция въздух обаче се движи с голяма скорост и поради ефекта на Бернули (високата скорост на флуида създава ниско налягане!) налягането в канала се понижава и става по-ниско от тангенциалното напрежение, с което мускулите затварят струните в изходно им положение (фиг. 3.4.3 в, а). Струните се затварят и струята въздух се прекъсва. Този цикъл отваряне-затваряне на струните се повтаря много пъти в течение на 1s, което накъсва въздушния поток в трахеята и генерира механична вълна с голяма амплитуда. Трептенето на гласните струни може да се усети с пръста на ръката, допрян до адамовата ябълка.

Фонеми, произнесени при трептене на гласните струни се обозначават като звучни. Фонемите, произнесени без трептене на гласните струни, само чрез турболентен поток въздух се означават като беззвучни. Част от съгласните звуци са винаги звучни, такива са т.н. звучни съгласни – Б, Г, Д, Л, М, Н, В, Ж, З, Р и др. Останалите съгласни звуци са винаги безвучни, това са П, К, Т, Ч, Ш и др. Гласните звуци могат да се произнасят и по двата механизма – чрез трептене на гласните струни и чрез турболентен поток (при шептене). Така че, гласните звуци са звучни, когато се произнасят чрез силно издишване и безвучни, когато се произнасят тихо, шепнешком. Шепотът е говор с малка сила, при което гласните струни не трептят, а след тях се получава само турболентен поток въздух. При шептене не могат да се произнасят правилно звучните съгласни, например при шепот всяка звучна съгласна се произнася и се чува както съответната й безвучна: Б като П, Г като К, Д като Т.
Фиг. 3.4.3. Трептенето (цикълът отваряне-затваряне) на гласните струни в ларинса се обяснява с ефекта на Бернули.
Степента на натягане на гласните струни, от което зависи дали ще се произнесат звучни или беззвучни фонеми се управлява от нервно-електрични импулси, които идват от говорния център на главния мозък.



Фиг. 3. 4. 4. Положение на гласните струни при свободно дишане (А), при произвеждане на нисък тон (Б) при произвеждане на висок тон (В).
А - Свободните краища на гласните струни са раздалечени. Въздухът минава свободно между гласните струни, липсва трептене и звук – режим М0 (дишане).

Б - Свободните краища на гласните струни са сближени. Гласните струни са слабо разтегнати по дължина. Въздушната струя разтрептява гласните струни и те вибрират с ниска честота, защото степента на тяхното натягане е слаба – режим М1 (говорене).

В - Свободните краища на гласните струни са сближени. Гласните струни са силно разтегнати по дължина. Въздушната струя разтрептява гласните струни и те вибрират с висока честота, защото степента на тяхното натягане е голяма – режим М2 (пеене).

Гласните струни са всъщност един музикален инструмент. В затворено положение те произвеждат механична вълна, която съдържа само трептения с честоти, кратни на една основна честота. Най-ниската честота на трептене се нарича основна честота - f_o. Останалите честоти са кратни на основната - 2f_o, 3f_o, 4f_o, 5f_o, и т.н. и се означават като хармоници. Липсват трептения (обертонове) с честоти, различни от основната и нейните хармоници. Това е характерно за всички музикални инструменти. Всъщност f_o е честотата на трептене на самите гласни струни. В сравнение с музикалните инструменти, броят на хармониците при гласните струни е много по-голям.

При говорене основната честота f_o се мени слабо и обикновено има ниска стойност (около 120 Hz при мъжете и 140-150 Hz при жените). При пеене f_o се мени и може силно да нарасне в зависимост от височината на тона. Основната честота f_o се повишава чрез по-силно разтягане на гласните струни, което стеснява канала между струните и намалява площта от тяхната повърхност, която трепти. В зависимост от разстоянието между гласните струни и тяхното разтягане различаваме четири състояния, които се обозначават като режим на свободно дишане, М0 (раздалечени гласни струни, липса на трептене – фиг. 3.4.4 А), режим на говорене, М1 (сближени гласни струни, слабо разтягане, трептене с ниска честота и голяма трептяща площ – фиг. 3.4.4 В), режим на пеене, М2 (сближени гласни струни, силно разтягане, трептене с висока честота и намалена трептяща площ – фиг. 3.4.4 Б) и режим на пищене М3, който се получава само в редки случаи (свръхсилно натягане и трептене с много висока честота).

Механичната вълна или турболентният поток, създадени след гласните струни излизат в атмосферата обикновено през устната кухина. В по-редки случаи, когато се произнасят т.н. носови (сонорни) фонеми, мекото небце затваря пътя на въздушния поток към устата и той преминава през носната кухина. Съответно, втората част на говорния апарат съдържа устната или носна кухина. В устната кухина настъпва промяна на спектъра на механичната вълна, като трептенията с определени честоти усилват своята амплитуда (настъпва резонанс), а други силно я намаляват. Този процес се означава като филтрация (учленяване, артикулация) на звука. Той зависи от положението на езика, устните, зъбите, твърдото и меко небце и др. органи, наречени учленители (артикулатори)

Положението на учленителите е различно и специфично за всяка отделна фонема и също се управлява от нервно-електрични импулси, които идват от говорния център на главния мозък.

Физичният смисъл на филтрирането е в спектъра на механичната вълна да се създадат няколко групи усилени трептения. Всяка една такава група, наречена звуков формант, съдържа трептения с близки честоти и увеличена амплитуда, между които има широки честотни интервали, където трептенията са подтиснати (фиг. 3.4.5). Всяка една фонема съдържа голям брой форманти (до седем), но за точното различаване на фонемата от решаващо значение са само първите няколко от тях.

На фиг. 3.4.5 е показан пример за честотен спектър на механична вълна, генерирана при трептето на гласните струни в режим М1. Вижда се, че обертоновете са кратни на основната честота и имат равномерно намаляваща амплитуда. След преминаване през устната кухина всяко трептене, в зависимост от своята честота се филтрира по начин, зависещ от положението на учленителите. Същият вид филтрация се получава и когато ларингсът произвежда турболентен поток, но в този случай амплитудата да отделните съставни трептения е много по-слаба. На фигурата е показано, че филтрацията води до поява на два форманта, единият центриран около 500 Hz, другият около 1500 Hz. Фонема с такъв спектър, съдържащ два форманта при 500 Hz и 1500 Hz отговаря на гласния звук А (фиг. 3.4.6). Останалите гласни звуци съдържат подобни спектри с два главни форманта, но центрирани при други честоти в зависимост от положението на артикулаторите.

На фиг. 3.4.6 са показани честотните интервали на първите два форманта за всички гласни звуци (фонеми) на английския език. Първият формант се намира в диапазона от честоти от 300 до 1200 Hz, а вторият е разположен по-високо, между 800 и 3000 Hz. Както се вижда, отделните гласни звуци заемат различни области (елипси, овали) върху квадранта, заключен между двете перпендикулярни оси, съответстващи на честотите на първите два форманта. Тези области не се припокриват, което позволява на човешкото ухо и на слуховия център в мозъка да разпознават и различават всеки гласен звук като отделно звуково събитие.

Когато различни хора произнасят един и същи гласен звук, честотите на двата му форманта не съвпадат напълно. За всеки отделен човек тези две честоти изобразяват отделна точка вътре в съответната област (елипса), показана на фиг. 3.4.6. Понеже площта на всяка една от тези елипси е доста голяма, отделните хора могат да имат големи различия в честотите на формантите, съответстващи на един и същи гласен звук. Това позволява чрез слуха да се установи тембъра и съответно личността на говорещия.

При пеене на определен гласен звук разтягането на гласните звуци се променя в зависимост от височината на тона. При по-голямо разтягане, основната честота на трептене на гласните струни се повишава. Заедно с това нарастват и честотите на двата форманта, характерни за този гласен звук, но по такъв начин, че съотношението на тези честоти се запазва. С други думи при произнасяне на гласния звук с по-висок или по-нисък тон честотният спектър на гласния звук се измества нагоре или надолу по честотната ос, но неговият вид се запазва. От тук се прави изводът, че усещането, което хората получават при възприемане на даден гласен звук зависи не от абсолютната стойност на честотите на неговите форманти, а от взаимното съотношение на тези честоти.

В сравнение с гласните звуци, филтрацията (учленяването) на съгласните звуци е много по-сложна и разнообразна. Поради това честотният спектър на съгласните звуци е по-сложен от този на гласните и обикновено съдържа много повече от два значими форманта. Както беше казано, в зависимост от наличието или отсъствието на трептене на гласните струни съгласните звуци биват звучни или беззвучни. От друга страна, в зависимост от вида и мястото на учленяване, съгласните звуци се делят на преградни (взривни, експлозивни), проходни (фрикативни), носови (назални), меки (палатални) и др.

При носовите съгласни (М, Н) въздушният поток минава през носната кухина.

При проходните съгласни (Ф, В, С, З, Ш, Ж, Ч) между върха на езика и долната челюст се създава проход, през който минава въздушния поток. Така се генерира силен турбулентен поток с много широк честотен спектър. Частен случай на проходни съгласни са т.н. шипящи съгласни (С, З, Ж, Ш, Ч).

Преградните съгласни се произвеждат на два етапа. През първия етап е налице пълно запушване (оклюзия) на въздушня проход както през устната кухина, така и през носа. На втория етап въздушният поток рязко се освобождава, което генерира краткотраен, но силен турбулентен поток с широк честотен спектър, наподобяващ този на взривно избухване. Видът на съгласния звук зависи от мястото на запушване - чрез свиване на устните (П, Б) или чрез притискане към твърдото небце на различни части на езика (предната част на езика –Т и Д, средната част - К, задната част -Г). При произнасянето на някои от преградните съгласни участват и гласните струни. Това са звучните съгласни Б, Д и Г. На всяка една от тях съответства съответната безвучна – П, Т и К, които се произнасят без трептене на гласните струни.

Освен по спектър, гласните и съгласни звуци се различават и по своята продължителност във времето. Гласните звуци се произнасят с по-голяма продължителност, докато съгласните са по-краткотрайни. Всичко това подчертава различната роля на гласните и съгласни звуци в речта. Поради по-богатия си честотен спектър съгласните звуци, в сравнение с гласните, се разпознават по-лесно и носят повече информация за вида на думата в която са вмъкнати. Поради това езиците, които са по-богати на съгласни звуци (езици от славянската и латинската група) са по-разбираеми от такива езици, които са богати на гласни звуци, като например езиците от германската група. От своя страна гласните звуци имат по-голямо значение при пеенето, тъй като чрез тях се подчертава различната височина на тоновете.

При някои езици (френски, немски) един и същи гласен звук може да бъде по-отворен или по-затворен в зависимост от думите, където се среща. Също така, в някои езици (български) дължината на всеки един гласен звук е еднаква във всички думи, където тя участва. В други езици (фински, немски, чешки, сръбски) гласните звуци биват дълги и кратки, което променя смисъла на думата. В немски, чешки и сръбски дългите гласни траят два пъти повече от кратките. Във финския език това съотношение е 3:1. В някои т.н. музикални езици (китайски, виетнамски и др.) при произнасяне на даден гласен звук основната му честота може да е постоянна, да нараства или намалява, което променя смисъла на думата.

1. 
   Скорост на разпространение С. Тази скорост е различна за различните среди (табл. 3.5.1) - във въздуха е значително по-малка, отколкото в кондензираните среди (тъкани, вода). В кондензираните среди могат да се разпространяват напречни и надлъжни вълни, чийто скорости са различни.
   
2. 
   Акустично съпротивление R_a = .C. То зависи от плътността на средата  и скоростта на разпространение C. Акустичното съпротивление зависи от състава и строежа на тъканите на човешкото тяло и е различно при отделните тъкани. Поради това, на границата между два вида тъкани ултразвукът се отразява, като интензивността на отразения лъч е толкова по-голяма, колкото е по-голяма разликата между акустичното съпротивление на тези тъкани. Най-голямо е акустичното съпротивление на костите, поради което ултразвукът практически не прониква в тях и не може да се използва за тяхната диагностика. Акустичното съпротивление на тъканите е около 3500 пъти по-голямо от това на въздуха. При ултразвуковите методи за диагностика и лечение, източникът на ултразвук се допира до кожата на пациента през контактен гел, за да се избегне силното отражение на лъча на границата между въздуха и тялото на пациента. Като контактен гел се използват слой вода, глицерин, вазелин, парафин.
   
3. 
   Интензивност на лъча I, това е плътността на потока акустична енергия. При диагностичните приложения тя е от 10 до 50 W/m².
   
4. 
   Режим на генерация – непрекъснат (при него се проявява топлинен ефект) и импулсен (липсва топлинен ефект).
   
5. 
   Дълбочина на проникване. Показва разтоянието на проникване в тъканите, където ултразвукът затихва на 65 %. Дълбочината на проникване зависи силно от честотата на ултразвука: при 0,8 MHz тя е около 3-4 см, а при 3 MHz тя е само 1,5-2 см.
   

Б

Физико-химичният ефект на ултразвука се изразява чрез увеличаване на проницаемостта на клетъчните мембрани. При висшите организми се проявява и нервно-рефлекторно и нервно-хуморално действие на ултразвука.

В медицината ултразвукът се използва за диагностика, терапия и за целите на хирургията. Способността на ултразвука без съществено поглъщане да преминава през меките тъкани на организма и да се отразява от нееднородности се използва за диагностика на вътрешни органи, което ще бъде разгледано в отделна тема.

1. Упражняването на ултразвук с малка интензивност (около 1 W/m²) има лечебно действие. Ултразвук с малка мощност предизвиква микромасаж на тъканите, активиране на процесите на обмяна на веществата и умерено локално нагряване на тъканите, което има лечебен ефект. Ускорява се пасивния транспорт, подобрява се трофиката, увеличава се проницаемостта на тъкани и мембрани, ускорява се имунния отговор. Тези следствия се свързват с механичния и физико-химичния ефект, които съпровождат преминаването на ултразвука през тъканите.

2. Прилагането на механична вълна и в частност на ултразвук ускорява заздравяването на счупени кости – откритие на български лекари. Ултразвукът ускорява регенерацията на съединителната тъкан, костите и меките тъкани.

3. Ултразвукът подобрява дейността на мускулния апарат и на периферната нервна система.

4. Ултразвукът има обезболяващ ефект при заболяване на нервната и костно-мускулната система, стомашно-чревния тракт. Нормализира възбудимостта, подобрява трофиката, има спазмолитично действие.

5. Ултразвукът улеснява вкарването на лекарства през интактна кожа непосредствено в огнището на заболяване (ултрафонофореза). Лекарството се разтваря в ланолин, вазелин и др. Успешно се прилага при радикулит.

6. Ултразвукът се използва за безоперативно лечение на тумори, разположени в дълбочината на мозъка (фиг.3.5.4). Поради това, че ултразвукът много трудно прониква през костната тъкан, в случая черепната кост, към туморната тъкан се насочват голям брой лъчи. След преминаване през костта, всеки лъч има ниска (подкритична) интензивност и е безопасен за мозъчната тъкан през която преминава. В края на своя път лъчите се събират в тумора, тяхната енергия нараства, надвишавайки критичната и туморът се уврежда.