Механічні властивості біологічних тканин

Механічні властивості біологічних тканин

Опорно-рухова система людини

В процесах життєдіяльності біологічних систем здійснюються різноманітні механічні явища. До них можна віднести – рух газоподібних і рідких природних і біологічних середовищ, скорочення і розслаблення м’язів функціонування опорно-рухового апарата, поширення хвиль пружної деформації, процеси деформації клітин, тканин та органів. Розглянемо найважливіші механічні властивості біологічних тканин які визначають хід цих процесів.

Біомеханікою називається комплекс біофізики, у якому розглядаються механічні властивості живих тканин і органів, також механічні явища, які відбуваються як з цілим організмом, так із його окремими органами.

Опорно-рухова система людини, що складається із з’єднаних між собою кісток скелета і м’язів, являє собою з точки зору біомеханіки сукупність важелів, що підтримують людину у стані рівноваги.

Важелем називається тверде тіло (як правило стержень), що має нерухому вісь обертання, до якої прикладені сили, які створюють моменти відносно цієї осі. Розглядають три види важелів від залежності їхнього взаєморозташування діючої сили , сили  (долаючої опір) і точки опори. Казав ще Архімед: “Дайте мені точку опори і я переверну Землю.”

1.     Сили прикладені з одного боку від точки опори (рис. 1, а).

Наприклад, череп знаходиться в сагітальній площині (рис. 2.1, б). Вісь  обертання важеля проходить через з’єднання черепа з першим хребцем. Спереду від точки опори на відносно короткому плечі діє вага голови , прикладена в центрі мас черепа, позаду сила  натягу м’язів і зв’язок, прикріплених до потиличної кістки.

Рис.1, а	Рис. 1, б

 

2.     Сили прикладені по один бік від точки опори.

Рис. 2, а	Рис. 2, б

 

а) сила  прикладена до кінця важеля, сила  ближче до точки опори (рис. 2, а). Приклад – дія зведення стопи при підйомі на півпальці (рис. 2, б).

Опорою  важеля, через яку проходить вісь обертання, є головки плюснових кісток. Діюча м’язова сила , що здійснює підйом тіла вагою, здійснюється через ахілесове сухожилля і прикладена до виступу кісткової кістки.

в ) сила  прикладена ближче до точки опори, ніж сила  (рис. 3, а). Приклад – кості передпліччя. Точка опори  знаходиться в ліктьовому суглобі (рис. 3, б). Діюча сила – сила м’язів, що згинають передпліччя,  величина навантаження.

 

Рис. 3, а	Рис. 3, б

 

Для такого важеля сила, що розвиває м’яз, більша від величини навантаження у стільки разів, у скільки точка кріплення м’яза розміщена до ліктьового суглоба, ніж утримуваний вантаж. Математично це можна записати так:

де  – сила, яку розвиває м’яз, r – відстань між точкою кріплення м’яза до кістки передпліччя та ліктьовим суглобом,  – вага вантажа,  – відстань від вантажа до ліктьового суглоба.

У тілі людини нараховується близько 600 м’язів, які складають до 40% маси людини. Їм властива еластичність, здатність відновлювати початкову форму після припинення дії сил, які викликають їх деформацію. З віком м’язи змінюються: вони ростуть, збільшуються в об’ємі. Від довжини м’яза залежить їх скорочення (рис. 4). В похилому віці товщина м’язевих пучків і сила їх зменшується. Сила їх падає. Проте, якщо людина веде активний спосіб життя, атрофія м’язів сповільнюється.

Рис. 2.4

 

Механічному скороченню м’яза, який здатний трансформувати хімічну енергію в механічну, виконуючи роботу, передує його електричне збудження, вивільнюються медіатор ацетилхолін який створює потенціал дії. Потенціал дії сприяє вивільненню кальцію. У результаті чого, за рахунок енергії АТФ, вмикається скорочувальний апарат у міофібрилах, який зумовлює пружну деформацію пасивних елементів міофібрил у цілому м’язі. Наслідком дії скорочувального апарату та пружної деформації міофібрил є скорочення м’яза, виникнення м’язевої сили і, нарешті, виконання роботи.

Важливими характеристиками роботи м’яза являються сила і швидкість скорочення.

А.Хіллом,  було показано, що між швидкістю скорочення м’яза  та м’язевою силою  існує гіперболічна залежність (рис. 2.5):

(2)

тут,  – максимальна швидкість скорочення м’яза ( при );  – сила, яку розвиває м’яз в ізометричному режимі скорочення (коли не змінюється довжина м’яза);  і  – константи.

Рис. 2.5. Залежність відносної швидкості скорочення м’язу

від відносної сили

При скороченні, протягом часу , м’яз виконує роботу:

(3)

Знайшовши  з рівняння (2.2) і підставивши у (2.3) отримаємо:

(4)

У процесі скорочення м’язу виділяється певна кількість теплоти . Ця величина називається теплопродукцією і залежить лише від зміни довжини  м’язу

(5)

 

Деформації тіл та їхні характеристики

В результаті дії сили тверде тіло може змінювати свою форму або об’єм. Зміна форми або об’єму тіла під дією прикладених до нього сил називають деформацією. Якщо після припинення дії сил тіло відновлює свою форму і об’єм, то деформація називається пружною. Сили, які виникають при пружних деформаціях тіл називають силами пружності. Вони виникають при взаємодії тіл, коли їхні молекули зближаються до відстані . Сили пружності діють між взаємодіючими шарами деформованого тіла, а також в місці контакту деформованого тіла з тілом, яке викликає деформацію.

Розглянемо одномірні (лінійні) деформації розтягу або стиску. В цих випадках сили пружності напрямлені вздовж лінії дії деформуючої сили. Сили пружності, які діють на тіло з боку опори або підвісу називаються силою реакції опори або силою натягу підвісу.

Закон Гука для розтягу (або стиску), що характеризується вектором видовження (стиску) формулюється так:

Сила пружності пропорційна вектору видовження (стиску) і протилежна йому за напрямом:

(2.6)

де -коефіцієнт пружності (жорсткості), який визначається силою пружності, що виникає при одиничній деформації даного тіла.

Сили пружності залежать тільки від зміни відстаней між взаємодіючими частинами даного пружного тіла. Механічні властивості твердого тіла розглянемо на прикладі деформацій розтягу стержня.

Деформацію розтягу характеризують: абсолютним видовженням

, відносним видовженням , механічною напругою ,

де – кінцева і початкова довжини стержня,  – сила пружності,  – площа поперечного перерізу стержня.

Для дослідження деформації розтягу стержень розтягують за допомогою спеціальних пристроїв і вимірюють видовження зразка та напругу, що виникає в ньому. За результатами дослідів креслять графік залежності напруги  від відносного видовження . Цей графік називають діаграмою розтягу.

Дослід показує, що для малих деформацій напруга  прямо пропорційна відносному видовженню :

,

(7)

де  – модуль Юнга.

Цю залежність називають законом Гука.

Модуль Юнга чисельно рівний напрузі, при якій довжина тіла збільшується в два рази:, при , звідки .

Рис. 2.6.

 

Максимальна напруга , при якій ще справджується закон Гука, називається границею пропорційності. Максимальну напругу , за якої ще не виникають помітні залишкові деформації (не більше 0, 1%), називають границею пружності. Із збільшенням навантаження деформація зростає дедалі швидше. При деякому значенні напруги, що відповідає т.С, видовження зростає практично без збільшення навантаження. Це явище називають текучість матеріалу (відрізок CD). Далі крива напруг піднімається і досягає максимуму в т. E. Потім напруга різко спадає і зразок руйнується (т.К). Отже, розрив настає після того, як напруга досягає максимального значення , що називається границею міцності. Технічні споруди і конструкції надійні, якщо напруги, які виникають у них у процесі експлуатації, у кілька разів менші за границю міцності.

 

Деформація біологічних тканин

Як фізичний об’єкт біологічна тканина – композитний матеріал механічні властивості якого відрізняються від механічних властивостей кожного компонента, взятого зокрема. Ми розглянемо діаграми деформацій кісткової тканини, м’язів і судин. Методи визначення механічних властивостей біологічних тканин аналогічні методам визначення цих властивостей в технічних матеріалах.

Кісткова тканина. Основними матеріалами кісткової тканини є гідроксілапатит  і колаген. Перший з них є неорганічним матеріалом у формі мікроскопічних кристалів. Другий високомолекулярний волокнистий, еластичний білок. Кристалики гідроксіланатиту розташовуються між колагеновими волокнами . Така композитна будова кісток надає їм потрібні механічні властивості: твердість, пружність і міцність. Вони значною мірою залежать від індивідуальних умов росту організму та його віку.

Діаграма розтягу кісткової тканини показане на рис. 2.7. Як бачимо, при малих деформаціях виконується закон Гука. Модуль Юнга кісткової тканини , межа міцності .

Рис. 2.7.

Шкіра складається з волокон колагену та еластину розташованих в основній матриці. Еластин являє собою волокнистий високо гнучкий та розтяжний білок. Він розтягується до 200-300%, приблизно, як гума. Колаген може розтягуватись 10%, що відповідає капроновому волокну. Модуль пружності колагену (10-100) МПа, еластину – (0, 1-0, 6) МПа. Границя міцності відповідно: 100 МПа і 5 МПа. Отже, шкіра є пружним матеріалом з високо еластичними властивостями. Вона добре розтягується та скорочується.

М’язи. До їх складу входить сполучна тканина, що складається з волокон колагену та еластину. Через те механічні властивості м’язів подібні до механічних властивостей полімерів. Між пружними властивостями полімерів і кристалічних мономерів існує принципова відмінність. В останніх сили пружності повністю визначається зміною міжатомних відстаней. Полімери складаються з дуже довгих і гнучких молекул. Частини молекул перебувають хаотичному тепловому русі, через те їх форма і довжина постійно змінюється. Під дією навантаження молекули випрямляються у відповідному напрямі і довжина зразка зростає. В полімерах випрямлення молекул при навантаженні матеріалу та ковзання макромолекул триває значно довше, ніж повзучість в металах. В певній мірі процеси повзучості в полімерах аналогічні течії в’язкої рідини. Поєднання в’язкої плинності з високою еластичністю дозволяє називати деформацію, характерну для полімерів, в’язкопружною. Пружні та в’язкі властивості зручно моделювати.

Так моделлю пружного тіла можна вибрати пружину, малі деформації якої відповідають закону Гука

Моделлю в’язкого тіла може служити поршень з отворами, що рухається в циліндрі з в’язкою рідиною

Рис. 2.8

 

Напруга і швидкість в’язкої деформації пов’язані рівнянням

,

(8)

де – коефіцієнт в’язкості.

В’язкопружні властивості тіл моделюються системами, що складаються з різних комбінацій простих моделей „пружина” і „поршень”.

Найчастіше використовують модель Максвелла – це послідовне з’єднання в’язкого і пружного елементів:

Рис. 2.9. Тіло Максвелла

 

І модель Кельвіна-Фойгта – це паралельне з’єднання в’язкого і пружного лементів:

Рис. 2.10. Тіло Кельвіна – Фойгта

 

Залежність деформації від часу в цих моделях описується формулами

,	для тіла Максвелла (9)
,	для тіла Кельвіна-Фойгта (10)

Так механічні властивості гладких в’язів описує модель Максвела, в якій послідовно з’єднані пружний і в’язкий елемент. Залежність  для скелетного м’яза показана на рис. 2.11. Як бачимо, ця залежність не лінійна. До  механізм деформації зумовлений випрямленням молекул колагена. При більших деформаціях зростають міжатомні відстані в молекулах.

Рис. 2.11.

Судинна тканина. Механічні властивості судин визначаються головним чином властивостями гладких м’язевих волокон, еластину і колагену. Стінки судин неоднорідні за своєю будовою, відрізняються анізотропними механічними властивостями. До них можна застосовувати вище згадані методи дослідження пружних властивостей лише наближено.

На рис. 2.12 наведено діаграму розтягу аорти під впливом трансмурального тиску  (різниці тисків всередині і зовні судин). Як бачимо, при зростанні тиску жорсткість судин або їх тонус різко зростає. Біофізичний механізм цього явища досить складний і досі недостатньо вивчений.

Механічна напруга стінки судин визначається рівнянням Ламе

(11)

де  – тиск крові зсередини на стінку судини,  – радіус внутрішньої частини судини,  – товщина судини

Зв’язок між тиском, радіусом і модулем пружності визначається наступним рівнянням

(12)

На основі рівняння (2.12) отримують кількісні співвідношення, що характеризують процес поширення пульсової хвилі.

Рис. 2.12.

 

 Механічні коливання і хвилі. Біоакустика

Механічні коливання, що відбуваються під дією сили, пропорційної зміщенню і напрямленої до положення рівноваги, називаються гармонічними коливаннями і описуються гармонічним законом:

(2.13)

Тут  – зміщення тіла (точки) від положення рівноваги,  – амплітуда,  – циклічна частота,  – період,  – початкова фаза.

Швидкість  коливань тіла (точки):

(14)

З рівняння (14) випливає, що швидкість коливання змінюється з часом. Отже, коливальний рух відбувається з прискоренням :

(15)

 

Рис. 2.13

 

Для наочності, зміна ,  і  з часом (при гармонічному коливанні), розраховані по формулах (2.13-2.15) при  представлені на рис. 2.12.

Коли на тіло діє лише сила пружності:

(16)

тут  – коефіцієнт жорсткості, тоді згідно з другим законом Ньютона, враховуючи (2.15) одержимо:

(17)

Позначивши через , отримуємо диференціальне рівняння гармонічного коливання:

(18)

Розв’язком цього рівняння є функція  – задана формулою (13).

Оскільки всередині коливальної системи завжди присутня сила тертя, то гармонічні коливання будуть затухати і з часом зовсім зникнуть. При невеликих швидкостях руху можна вважати, що сила тертя пропорційна швидкості руху тіла:

(19)

де  – коефіцієнт опору середовища. Тоді другий закон Ньютона, для розглядуваного випадку, запишимо у вигляді:

(20)

Позначивши  ( – коефіцієнт затухання), отримаємо диференціальне рівняння затухаючих коливань:

(21)

розв’язком якого є функція  (рис. 2.14):

(22)

 

Рис.2.14

де .

Залежність зміни амплітуди з часом має вигляд:

(23)

 

і графічно показана на рис. 2.14.

Період затухаючих коливань визначається за формулою:

(24)

Відношення двох сусідніх амплітуд, розділених інтервалом часу, рівним періоду коливань, називається декрементом затухання і позначається буквою дельта:

(25)

У практиці частіше використовують логарифмічний декремент, який за визначенням:

(26)

Коливанням, які виникають в системі при дії зовнішньої сили, що змінюється за періодичним законом, називаються вимушеними коливаннями.

Якщо на матеріальну точку крім квазіпружної сили і сили тертя діє зовнішня вимушуюча сила

,

(27)

де F₀ – її амплітуда,  – кругова частота вимушуючої сили, то другий закон Ньютона матиме вигляд:

,

(28)

або

(29)

де _.

Розв’язок цього рівняння має вигляд:

(30)

_де

,

(31)

Резонансна кругова частота, при якій зміщення досягає максимальної амплітуди визначається за формулою:

(32)

Амплітуда при резонансі дорівнює:

(33)

Залежність амплітуди коливань від частоти представлена на рис.2.15 ().

Рис. 2.15

При дії зовнішніх механічних коливань, резонансні коливання відбуваються і у внутрішніх органах. У цьому, очевидно, одна з причин негативного впливу інфразвукових коливань і вібрацій на організм людини.

Існують коливальні системи, у яких підтримуються незатухаючі коливання власної частоти. Такі системи називаються автоколивальними, а коливання, що в них відбуваються – автоколиваннями.

Механічні хвилі. Звук. Процес поширення коливань у пружному середовищі називається хвилею. Механічною хвилею називають механічні коливання, що поширюються у просторі і несуть енергію.

Розрізняють два основні види механічної хвилі: пружні хвилі – поширення пружних деформацій – і хвилі на поверхні рідини.

У будь – якій точці, розміщеній на відстані х від першої в напрямку поширення хвилі, зміна величини  відбувається також за гармонічним законом, проте з запізненням на час , де  – швидкість поширення хвилі.

Запишемо рівняння плоскої хвилі:

(34)

Провівши вказані нижче перетворення:

, ;
,

Отримуємо диференційне рівняння хвилі, яке називають хвильовим рівнянням

(35)

Хвилі переносять енергію. Кількість енергії в одиниці об’єму середовища називається густиною енергії:

(36)

Пружною хвилею, коли коливання одних частинок середовища спричиняють коливання сусідніх частинок переноситься повна енергія:

(37)

Густина енергії:

,

(38)

де  – густина середовища.

Для характеристики енергії хвилі використовують такі фізичні величини як потік енергії хвилі і інтенсивність енергії хвилі.

Потік енергії хвилі – кількісна характеристика перенесеної енергії, яка дорівнює відношенню енергії , яка переноситься хвилями через поверхню до часу , протягом якого вона переноситься:

(40)

Одиницею потоку енергії хвиль в системі СІ є Ват(вт).

Інтенсивність енергії хвиль чисельно дорівнює потокові енергії хвилі, яка переноситься через одиницю площі поверхні розташованої перпендикулярно до напряму поширення хвилі:

(41)

Одиницею інтенсивності енергії є _.

Знайдемо зв’язок між потоком енергії хвиль  енергією коливних точок і швидкістю поширення хвилі . Виділимо об’єм середовища , в якому поширюються хвилі у вигляді прямокутного паралелепіпеда (рис. 2.16); з площею основи , з довжиною ребра , яке співпадає з напрямом поширення хвилі. За 1с через основу паралелепіпеда пройде та енергія, яку мають частинки в об’ємі паралелограма . Це і є потік енергії хвиль.

(42)

 

Тоді

(43)

Вектор І, який показує напрямок поширення хвиль і рівний потоку енергії хвиль, який проходить через одиничну площу, перпендикулярну цьому напрямку, називають вектором Умова.

Вектор Умова для пружної хвилі залежить від густини середовища, квадрата амплітуди коливань частинок, квадрату частоти коливань і швидкості поширення хвилі.

Звук – це хвильовий процес. Власне звуком називають механічні хвилі, частота яких лежить у межах 16-20000 Гц. Механічні хвилі з частотою меншою 16 Гц називають інфразвуковими, а більшою від 20000 Гц – ультразвуковими. У твердих тілах звук поширюється у вигляді поздовжніх і поперечних хвиль. Оскільки рідини і гази практично не мають пружності зсуву, то в таких середовищах звук поширюється лише у вигляді поздовжніх хвиль. У газах і рідинах звукові хвилі є періодичними згущеннями і розрідженнями середовища, що віддаляються від джерела звуку з певною характерною для даного середовища швидкістю.

Всі звуки можна поділити на :

1.     тони або музичні звуки;

2.     шуми;

3.     звукові удари.

Тони характеризуються періодичними коливаннями. Якщо коливання гармонічні, то тони називаються простими або чистими. Періодичні негармонійні коливання характеризують складний тон. Складний тон характеризується гармонічним спектром. Складний тон можна розкласти на прості. Найменша частота  такого розкладу відповідає основному тону, інші гармоніки (обертони) мають частоти, крайні : , ,  і т. д. Набір частот, що утворюють складний тон з вказівкою їх відносної інтенсивності, називається гармонічним акустичним спектром.

Шумом називається звук, що відрізняється складною, неповторюючою часовою залежністю.

До шуму відносяться звуки від вібрації і руху машин, скрип, аплодисменти, шелест, приголосні звуки мови і т.п.

Звуковий удар – це короткочасна звукова дія: стук, оплески, вибух і т.п.

Звук характеризують інтенсивністю (звуковий тиск), частотою, гармонічним спектром, за суб’єктивним відчуттям розрізняють такі характеристики звуку: гучність, тембр і висоту.

Інтенсивність плоскої хвилі пов’язана зі звуковим тиском залежністю:

(44)

де  – густина середовища,  – швидкість звуку. Добуток швидкості с звуку в даному середовищі на густину  середовища називається питомим акустичним опором середовища  і є основною характеристикою її акустичних властивостей. Для повітря (за нормальних умов)

Характеристики слухового відчуття. Закон Вебера-Фехнера

Нормальне людське вухо сприймає достатньо широкий діапазон інтенсивностей звуку: так на частоті 1000 Гц від  () – поріг чутливості, до  () – порогу больового відчуття.

Відмінність між мінімальною сприймальною людською інтенсивністю звуку  і інтенсивністю звуку, яка викликає больові відчуття  дуже велика , тому при вимірюваннях користуються логарифмічною шкалою. Згідно цього величина рівня інтенсивності звуку рівна десятковому логарифму відношення інтенсивності досліджуваного звуку  до інтенсивності  на межі чутності.

(45)

Рівень інтенсивності вимірюють у белах. З записаної формули слідує, що при . Отже, бел є одиниця шкали рівнів інтенсивності звуку, що відповідає зменшенню інтенсивності в 10 разів. Рівні інтенсивності звуку також виражають у децибелах (дБ) 1Б=10дБ.

Згідно закону Вебера-Фехнера, якщо подразнення збільшуватиметься в геометричній прогресії, то відчуття цього подразнення зростатиме в арифметичній прогресії це і слідує з вище записаної формули.

Основною суб’єктивною (фізіологічною) характеристикою звуку є гучність звуку, яка є мірою сили слухового відчуття, викликаного звуком. Вона залежить від слухового тиску й чутливості вуха, яка неоднакова для звуків різної інтенсивності і частоти. Для порівняння гучності звуку різної частоти використовують фізичну величину, яка називається рівнем гучності і виражається формулою:

(46)

де коефіцієнт пропорційності К залежить від частоти і інтенсивності. Приймають, що для частоти , . Одиницею рівня гучності в системі СІ є фон. Рівень гучності у фонах визначається за формулою:

(47)

Щоб визначити рівень гучності довільного звуку потрібно взяти тон з частотою 1кГц і змінювати його інтенсивність до тих пір, поки його гучність не стане однаковою з гучністю досліджуваного звуку. Рівень інтенсивності цього тону в децибелах буде чисельно рівним рівню гучності досліджуваного звуку у фонах. Проводячи досліди з багатьма людьми і усереднюючи отримані результати, вдалося побудувати стандартні криві рівної гучності показані на рис. 2.17

Рис. 2.17

 

Звукові методи діагностики

Звук є джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини. Робота серця, легенів та інших органів супроводжується такими звуковими явищами, що виникають під час  їх роботи. Знаючи, якими повинні бути ці звуки при нормальному функціонуванні органів і тканин, можна визначити характер захворювання або пошкодження органа при тому чи іншому захворюванні.

Прослуховування і аналіз тонів та шумів, що виникають під час функціонування внутрішніх органів, називається аускультацією. Для прослуховування звуків використовують фонендоскоп. Його дія ґрунтується на резонансному підсиленні звуку. Резонансні порожнини  дають характерні (з малим затуханням) звукові коливання і по-різному проводять звуки, що використовується в іншому методі звукового дослідження – перкусії.

Іншим методом звукового клінічного дослідження є перкусія.

Перкусія — це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні молоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого. При постукуванні резонують порожнини всередині організму, по-різному реагують на звук молоточка або пальця м’які, пружні, тверді та порожнисті органи. При ударі по пружних тканинах або тканинах, що оточують порожнини тіла, заповнені повітрям, внутрішній звук підсилюється і стає дзвінким (тимпанічним). Якщо черевна порожнина містить багато рідини (водянка), перкуторний звук буде коротким і глухим.

Добрий резонанс дають порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та еластичні перетинки (ясний звук).

Для діагностики серцевих захворювань використовують метод фонокардіографії (ФКГ). Цей метод полягає у графічній реєстрації тонів та шумів серця. Запис фонокардіограм здійснюють за допомогою фонокардіографа. Він складається з мікрофона, підсилювача, системи частотних фільтрів і реєструю чого пристрою.

Втрату слуху досліджують методом аудіометрії. З цією метою визначають поріг чутності для різних тонів на спеціальному приладі – аудіометрі. Отримана крива називається аудіграмою. Порівняння аудіограми хворої  і здорової людини дозволяє діагностувати захворювання органів слуху.

 

Ультразвук та інфразвук

Ультразвуком називають механічні коливання і хвилі з частотами більшими 20 кГц. Застосування ультразвуку в різних галузях, включаючи медицину, пов’язані з тією їх важливою властивістю, що будь-які зміни в середовищі, через яке проходить ультразвукова хвиля, приводять до зміни швидкості розповсюдження і поглинання цієї хвилі, відбиття хвилі від границі розділу, акустичної кавітації – появи мікропорожнин в матеріальному середовищі (наприклад, в рідині) під дією коливань тиску. Так, при інтенсивності ультразвукової хвилі  і частоті  на відстані половини довжини хвилі  утворюється дуже великий перепад тиску, що дорівнює , тобто цей перепад в 630 разів перевищує нормальний атмосферний тиск. Кавітаційний та інші механізми дії ультразвуку можуть викликати механічні ефекти (розрив і загибель бактерій тощо), хімічні ефекти (збудження й іонізацію атомів та молекул з утворенням радикалів), які можуть бути як позитивними при відносно малих інтенсивностях, так і негативними при великих інтенсивностях ультразвукової хвилі.

Зміна швидкості і поглинання ультразвуку в різних органах і тканинах, а також відбиття ультразвукової хвилі на границях різних середовищ в організмі людини лежать в основі відомого методу ультразвукового дослідження (УЗД). Створені спеціальні комп’ютеризовані пристрої, які за певною програмою дозволяють візуалізувати зображення на екрані монітора. Сучасними прикладами УЗД в медицині є ультразвукова ехоенцефалографія – діагностування пухлин та запалень головного мозку, ультразвукова кардіографія – дослідження динаміки серцевої діяльності за допомогою ультразвуку, ультразвукова голографія – отримання тривимірних зображень біооб’єктів з використанням інтерференції ультразвукових променів тощо.

Дія ультразвукової хвилі з малою інтенсивністю на рівні  використовується як позитивний терапевтичний вплив, в основі якого лежить прискорення фізіологічних процесів у клітинах.

При збільшенні інтенсивності ультразвуку на декілька порядків (до  і вище) внутрішні рухи окремих цитоплазматичних частин клітин підсилюються, виникає ефект кавітації і, як наслідок, необоротні зміни структури і функцій клітин. Подібний механізм лежить в основі бактерицидної дії ультразвуку.

Ультразвуки великої інтенсивності використовуються також з метою руйнування різного роду новоутворень (пухлин тощо). Подібний механізм дії ультразвуку застосовується також в стоматології (зняття зубних каменів, висвердлювання зубних каналів тощо). Процес руйнування біологічних тканин при інтенсивностях вище  використовується в ультразвуковій хірургії та при ультразвуковому остеосинтезі – зварюванні тканин та кісток за рахунок значного підвищення в них швидкості процесів дифузії.

У фармацевтичній промисловості кавітаційні процеси, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, використовуються для диспергування твердих і рідких матеріалів з метою отримання лікарняних порошків і емульсій тощо.

Механічні та теплові ефекти, що виникають при дії ультразвуку на різні біологічні тканини, лежать в основі методу ультразвукової фізіотерапії.

Інфразвукові коливання і хвилі – це пружні коливання з частотами до 16 Гц. Інфразвук дуже слабко поглинається із газах, рідинах та твердих тілах і тому може розповсюджуватися майже без втрат на великі відстані. Ця надзвичайно важлива властивість – інфразвуку використовується у техніці – у звукометричних приладах (мікрофони, гідрофони тощо) для реєстрації різноманітних процесів, що відбуваються з інфразвуковими частотами. До таких процесів належать землетруси, вибухи, виробничі шуми і вібрації, грозові розряди, турбулентні явища в атмосфері, хвилі цунамі тощо.

Інфразвук негативно впливає на функціональний стан ряду систем організму. Вважається, що первинний механізм дії інфразвуку на організм має резонансну природу. Частоти власних коливань тіла людини відповідають частоті інфразвуків, тому вони викликають головний біль, роздратування, втому, знижують працездатність. Інфразвук з частотою 7 Гц шкідливо діє на серце. А з частотою 9-13 Гц на -ритми головного мозку. Високоінтенсивні виробничі шуми і вібрації, що мають складний неперіодичний характер в різних частотних інтервалах, включаючи інфразвуковий, також є шкідливими для людини. Рівень інтенсивності цих звуків вимірюється за допомогою спеціальних приладів – шумомірів. Встановлено, що гранично дозволений рівень інтенсивності низько­частотних шумів та вібрацій дорівнює , тоді як їх нормальним рівнем вважається значення .