Ультразвук, его влияние на организм и борьба с ним

Ультразвуки (неслышимые звуки) представляют собой механические колебания упругой среды и отличаются от звуковых волн более высокой частотой, превышающей верхний порог слышимости (20 000 Гц); диапазон ультразвуковых колебаний чрезвычайно широк — от 2·104 до 109 Гц (табл. 32).

Ультразвуковые волны распространяются в любой упругой среде (жидкой, твердой, газообразной), лучше в металлах, воде, хуже в воздухе.

Зависимость между длиной волны (λ), частотой (f) и скоростью (с) выражается формулой:
     λ=c/f
При попадании на границу двух различных сред часть энергии проходит в другую среду, часть отражается. Чем больше акустическое сопротивление сред (произведение плотности среды на скорость распространения в ней ультразвука), тем меньше переход ультразвуков из одной среды в другую. Например, почти 10% ультразвуковой энергии переходят из железа в воду и только 0,1% поступает из железа в воздух. Наибольшее отражение ультразвуковых колебаний наблюдается на границе вода — воздух; хорошо ультразвук проходит из воды в биологические ткани. При прохождении в различных средах ультразвуковые волны в разной степени поглощаются ими, чем обусловлено избирательное действие. Например, абсорбционные свойства мышечной ткани выше жировой; в сером веществе мозга поглощение почти в 2 раза выше, чем в белом; наибольшее поглощение наблюдается в костной ткани, наименьшее — в спинномозговой жидкости.

Поглощение ультразвука сопровождается нагреванием среды. Термический эффект усиливается с повышением частоты колебаний. Помимо теплового действия, ультразвук вызывает в средах ряд других явлений. Например, прохождение ультразвука в жидкости сопровождается эффектом кавитации. При распространении упругих волн в жидкости возникают последовательно фазы сжатия и разрежения, в отдельных участках образуются разрывы или полости, которые заполняются парами жидкости и растворенными в ней газами. При этом в образовавшемся пузырьке создается большое давление, которое может достигать нескольких атмосфер. Последующее сжатие приводит к захлопыванию пузырька, что сопровождается гидравлическим ударом, обладающим большой разрушительной силой. Этим обусловлено механическое действие ультразвука. Образование кавитационных полостей сопровождается распространением на пограничных поверхностях электрических зарядов, вызывающих люминесцентное свечение, ионизацию молекул воды. С этими явлениями связан ряд химических эффектов: окисляющее действие ультразвука, ускорение химических реакций, разрушение органических соединений.

Таблица 32. Амплитуда частоты колебаний и длины волн звуков и ультразвуков

Параметры	Звуки	Ультразвуки
Частота колебаний, Гц	20—2 · 104	109
Длина волны, см	20 000—1,7	0,0005

Впервые ультразвуки были применены французом Ланжевеном и русским инженером Н. К. Шиловским в 1916 г., в целях гидролокации. Начало промышленному применению ультразвуков было положено советским ученым С. Я. Соколовым, который в 1927 г. разработал первый в мире ультразвуковой дефектоскоп. В настоящее время ультразвуки применяются в машиностроении, металлургии, радиотехнической, химической, фармацевтической, легкой и других отраслях промышленности.

В технике ультразвук используется в целях интенсификации технологических процессов — при очистке и обезжиривании деталей, механической обработке твердых и хрупких материалов (сверлении, резании), при сварке, пайке, лужении; для ускорения химических реакций в гальванотехнике, при получении эмульсий; мойке стеклотары, для анализа и контроля (дефектоскопия, определение вязкости, плотности, температуры исследуемых материалов и т. п.).

В качестве источников ультразвука применяются акустические преобразователи: пьезоэлектрические, магнитострикционные, аэродинамические, гидродинамические (свистки, сирены), электродинамические. Наиболее распространены в промышленности пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи. Пьезоэлектрические преобразователи используются преимущественно в контрольно-измерительных приборах, дефектоскопах. Для этих целей чаще применяются ультразвуки высокой частоты (порядка нескольких мегагерц), но небольшой мощности (100—300 вт). Более широко распространены в промышленности магнитострикционные преобразователи. Они применяются для генерирования ультразвука при интенсификации технологических процессов. В технологических целях используются низкочастотные ультразвуки 24 000—30 000 Гц. Мощность применяемых преобразователей в зависимости от технологического процесса различна и колеблется от 100 вт до 5—10 кет. Именно эта область применения ультразвука должна в первую очередь привлекать внимание врача.

Основными элементами ультразвукового оборудования являются генератор и акустический преобразователь. Под действием переменного электрического тока, подаваемого с генератора, в преобразователе возбуждаются Механические колебания.

При процессах, протекающих в жидкости (очистка и обезжиривание деталей, электрические процессы в гальванотехнике), пластинчатый преобразователь встроен в дно ванны. От излучающей поверхности ere колебания передаются жидкости, в которую погружаются обрабатываемые детали. Процессы, связанные с возбуждением ультразвука в твердых средах (сверление, сварка, резание и др.), осуществляются на станках, машинах и агрегатах. Встроенные в них стержневые преобразователи скреплены с инструментом (сверлом, резцом), через который ультразвуковые колебания воздействуют на обрабатываемую деталь.

Работа ультразвукового оборудования независимо от того, протекает ли процесс в жидкой или твердой среде, сопровождается распространением ультразвуковых колебаний в окружающей среде. Источником ультразвука является открытая поверхность преобразователя. При процессах, осуществляющихся в жидкости, ультразвуки поступают в воздух также с ее поверхности. Но изолированно ультразвуковые колебания в производственных условиях почти не встречаются. Генерирование ультразвуковых колебаний сопровождается слышимым шумом, который обусловлен кавитацией, колебаниями обрабатываемых деталей и металлических конструкций оборудования.

Воздействие звуковых и ультразвуковых колебаний на организм работающих происходит через воздух и вследствие непосредственного контакта рук работающего со средами, в которых возбуждены колебания (контактный путь воздействия).

В производственных помещениях суммарные уровни звукового и ультразвукового давления при разных технологических процессах колеблются от 90 до 130 дБ. Спектр колебаний, создаваемых ультразвуковым оборудованием в воздухе, характеризуется необычайной широтой. Он охватывает весь слышимый диапазон частот и продолжается в ультразвуковой области. При рабочей частоте оборудования 20 000 Гц в спектре наблюдаются ультразвуки с частотой до 100 000 Гц. Однако наиболее высокие уровни приходятся на область высоких звуковых и низких ультразвуковых частот, т. е. от 8000—10000 до 31000 Гц с максимумом на рабочей частоте. Своеобразный комплекс высокочастотных звуковых и низкочастотных ультразвуковых колебаний является особенностью условий труда. В случае применения ультразвуковых колебаний в жидкости повышение спектральных уровней может наблюдаться с 4000—6000 Гц. Увеличение рабочей частоты соответственно вызывает изменения спектрального состава: основная масса энергии размещается в области рабочей и близлежащих в ней частот (рис. 35).

Контактное воздействие ультразвука носит локальный, как правило, периодический и кратковременный характер. Воздействию подвергаются руки рабочего, чаще в период загрузки и выгрузки деталей при обслуживании ультразвуковых ванн, при удерживании детали руками во время обработки, при пайке и лужении, а иногда при сварке и очистке. Иногда такой контакт является следствием несоблюдения мер предосторожности работающими. Если учесть, что в средах, с которыми соприкасаются рабочие, интенсивность довольно высокая, даже кратковременный контакт является крайне нежелательным.

Из методов ультразвукового анализа и контроля наиболее широкое применение имеет дефектоскопия. При дефектоскопии, как правило, используются ультразвуки высокой частоты порядка сотен килогерц и нескольких мегагерц. При этом основное внимание следует уделить предотвращению контактного воздействия, особенно в период монтажа, наладки и испытания дефектоскопов. Исследования состояния здоровья работающих с дефектоскопами, по данным зарубежных авторов, не выявили заметных признаков воздействия ультразвука.

При работе сирен, свистков, электродинамических излучателей Синклера в воздухе могут создаваться ультразвуковые поля интенсивностью 140—160 дБ. Эти виды оборудования используются для экспериментальных работ, а в производственных условиях почти не встречаются.

Наиболее изучено биологическое действие ультразвука при контактном его воздействии. В эксперименте установлено, что ультразвуковые колебания, глубоко проникая в организм, могут вызвать серьезные локальные нарушения в тканях: воспалительную реакцию, геморрагии, а при высокой интенсивности — некроз.

В производственных условиях вследствие кратковременного воздействия ультразвука описанные выше контактные грубые нарушения не наблюдаются. При систематическом же контакте с источником ультразвука в жидкости (у медицинских работников) выявлены профессиональные заболевания — парезы кистей и предплечий. Имеются экспериментальные данные о действии ультразвука, распространяющегося в воздухе. Низкочастотные ультразвуки высокой интенсивности (160— 165 дБ), в течение нескольких минут вызывают гибель животных от паралича дыхательного центра при явлениях ожога кожи, гипертермии, паралича конечностей.

Результаты клинических наблюдений за состоянием здоровья работающих получены в условиях одновременного действия шума и ультразвука. Лица, обслуживающие ультразвуковое оборудование, предъявляют многообразные жалобы, главным образом на головную боль, головокружение, быструю утомляемость, расстройство сна, сонливость днем, раздражительность, повышение чувствительности к звукам. К концу смены может наблюдаться повышение температуры тела, урежение пульса, замедление рефлекторных реакций на внешние раздражения. При клиническом обследовании отмечается астенический синдром.

Исследования высшей нервной деятельности указывают на снижение активности торможения, силы раздражительного процесса и инертности его. У лиц, длительное время занятых экспериментальной работой на ультразвуковых установках, иногда наблюдаются диэнцефальные нарушения (потеря в весе, резкий подъем содержания сахара в крови с медленным падением до исходного уровня, гипертиреоз, повышение механической возбудимости мышц, зуд, пароксизмальные приступы типа висцеральных кризов). Нередки нарушения функции периферического отдела нервной системы, онемение, снижение всех видов чувствительности по типу коротких и длинных перчаток, гипергидроз. Наблюдаются также снижение слуха и своеобразные расстройства со стороны вестибулярного аппарата — отсутствие нистагма в одну или обе стороны при вестибулярных пробах, диссоциация между нистагменной и другими рефлекторными реакциями, диссоциация между вращательной: и калорической пробой. Изменения являются следствием комбинированного действия шума и ультразвука. Периферические нарушения обусловлены преимущественно контактным воздействием ультразвуковых колебаний. Мероприятия должны быть направлены на ограничение воздействия звуковых и ультразвуковых колебаний, передающихся по воздуху и контактным способом.

Основной мерой снижения шума и ультразвука является понижение их интенсивности в источнике, но этот путь не всегда технически возможен. На промышленных предприятиях нередко применяется завышенная интенсивность ультразвуковых колебаний, поэтому в первую очередь следует уделять внимание рациональному подбору мощности оборудования. В тех случаях, когда снижение интенсивности противоречит интересам технологии, наиболее эффективной мерой снижения шума и ультразвука является звукоизоляция оборудования.

В нашей стране уже имеется опыт применения звукоизолирующих устройств. Ванны в звукоизоляционном исполнении выпускаются серийно. Звукоизоляция обеспечивается кожухом из листовой стали о герметично закрывающейся крышкой. Внутренние стенки кожуха выстланы слоем пористой резины. Суммарный уровень звукового и ультразвукового давления снижается при этом на 25—30 дБ.

Следует иметь в виду, что в момент загрузки и выгрузки деталей звукоизоляция нарушается. Поэтому целесообразно предусматривать автоматическое выключение колебаний при открывании крышки кожуха. Желательно также применение звукоизолирующих устройств для мощных станков и сварочных машин.

Применение звукоизолирующего кожуха на станках позволяет снизить уровень звукового и ультразвукового давления на 30—40 дБ. Так как кожух полностью укрывает рабочую поверхность, то применение его создает неудобства при кратковременной обработке, требующей частой смены обрабатываемых деталей, но может с успехом применяться при длительном процессе.

Профилактика контактного воздействия ультразвука достигается путем выключения колебаний в период загрузки и выгрузки деталей, для чего рекомендуется применение автоблокировки.

В значительной мере можно ослабить интенсивность контактного воздействия применением специальных приспособлений для загрузки деталей (сеток, сосудов из оргстекла и др. с ручками, имеющими эластичное покрытие). При необходимости периодического кратковременного контакта рекомендуется применение зажимов, щипцов, ношение резиновых и хлопчатобумажных перчаток. На стенках и сварочных машинах должны быть предусмотрены специальные приспособления для закрепления деталей во время обработки.

Методическими указаниями для промышленно-санитарных врачей и медико-санитарных частей по профилактике вредного влияния ультразвука при применении его в промышленности № 424-63 (утверждены 31 января 1963 г. Министерством здравоохранения СССР) предусматривается систематический контроль за состоянием здоровья рабочих путем проведения предварительных осмотров в случае приема на работу и периодических медицинских осмотров работающих один раз в год.