加速度和振动的作用

第三节　力、加速度和振动的作用

静止的力作用于人体时，使组织的各部分发生和弹性及黏性相应的位移。人体的骨结构是以脊柱为中心构成的，在关节部位由于纤维软骨和韧带等把负荷分散开，并且使加于骨上的力均匀分布，所以加于人体上的力不是都由骨来承受的。

由于骨的结构不均匀，是所谓的复合材料体，所以承受冲击力的能力强。当只从物理常数上考虑时，人体即使受到很大的力的作用也不会受到损害，例如直径为数个厘米的骨可以承受数吨的力。但是当有加速度作用时，人体则变得较脆弱。

当加速度作用于人体时，其结果应当变换为体内部分的力，其影响总结如下（正加速度的情况）：

（1）循环系统中，心脏阴影面积减小，心输出量减小，血压下降等。

（2）视野变窄、失明，丧失意识等，可认为和上述循环系统的变化有关。

（3）呼吸机能也发生变化。

人体耐受加速度的程度，受加速度的方向、持续时间、训练等因素影响而不同，大致数值在连续施加加速度时为4个重力加速度左右。

图2-8　听觉感度曲线

当低频振动加于人体时，如果频率较低，就仍将转换为加速度和力而作用于人体的各部分，使各部分有振动感觉。频率逐渐从20Hz增加到20kHz时，其对人体的作用使听觉产生效应比产生振动感觉要早。当频率更高，达到所谓超声波的区域时，振动以波动形式传入体内，这时主要由于能量的损耗而产生热量或者直接表现为力的作用。可见由于频率不同，作用也不一样，所以有必要分别加以研究。

关于可听频率区域，很早以来已有充分的研究。图2-8所示为听觉感度曲线，它反映了在零分贝情况下声压为2×10^-4dyn/cm²，用它来表示人的听觉的最低感知水平和频率的关系。声压比最低感知水平高时，人们听到声音强弱并不是按照这一曲线的规律。人听到声音的强弱以等感度曲线来表示，这种曲线叫做Fletcher-Munson曲线，被ISO标准采用，噪声指示计的基本特征依此规定。噪声对人体的影响，大致如下：

（1）长时间处在80～90dB的高水平声场中，发生听力减退，主要是对高频声音的听力减退。

（2）50～70dB以上的声音，通过听觉作用于人的植物神经，人体出现末梢血管阻抗增加、唾液分泌、交感神经紧张、消化机能减退、心率加速、呼吸次数增加和各种激素分泌量发生变化等现象。

（3）噪声通过听觉使人的心理被扰乱，工作效率降低。

此外，人对噪声的心理强度（嘈杂度）和单一声音的强度多少有些不同。

还有的声音不通过听觉也能产生振动感觉和力等影响，20Hz以下频率的声音就是如此，20Hz以上的频率也会产生振动的影响。

振动时人的生理和心理的影响还有如下几点：

（1）视力减退；

（2）不愉悦感，睡眠障碍等；

（3）呼吸频率、氧消耗量增加；

（4）循环状态变化；

（5）长时间受到更激烈的振动时，容易产生雷诺氏病症状（四肢末端苍白）、冷感、紫绀、麻木、疼痛、关节变化、肌肉萎缩；内分泌障碍、手指颤抖、消化器官障碍等；当振幅为2mm（3Hz约100dB）左右时，变化比较显著。

人体受超声波振动时，如果超声波的能量密度非常高，各组织依其衰减系数而产生热。图2-9是超声波的平面波入射到人体体表时，产生热分布的计算图例。可以看出和微波一样产生一个不均匀的分布。能量密度在100mW/cm²以下时也会产生热，但其影响是可逆的。超声波照射停止后不留任何残迹。

图2-9　热分布计算

能量密度超过1W/cm²时，将有机械力直接作用于细胞等粒子，超声波通过两个粒子之间产生超声波流时，根据伯努利定理，两个粒子产生互相靠近的力的作用。此外还有流体惯性的力，黏性的力和由能量本身产生的辐射压等造成的影响。这些力的影响程度低时是可逆的，不会产生严重的危害，影响程度显著时则会产生不可逆的危害。

能量增高到10W/cm²时，液体中有空泡产生，出现空化现象。产生空化现象后，组织立刻受到破坏，超声波手术刀就是利用这一原理。但从安全角度看这种现象是不允许发生的。

另外在细胞分裂等发生学角度看，当超声波能量低于100mW/cm²时也会产生影响。在细胞分裂过程中有丝分裂阶段最易受影响。