Физические основы слухового эффекта СВЧ - Шорохов В.В., Тигранян Р.Э.

Author: Шорохов В.В. Тигранян Р.Э.

Tags: колебания тел колебания тел с распределенными массой и упругостью возбуждение колебаний слуховой эффект свч

Year: 1991

Similar

Нелинейная теория виброзащитных систем

Колебания

Теория колебаний

Text

АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ПУЩИНСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР
ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
БИОФИЗИКИ
Р. Э. ТИГРАНЯН, В. В. ШОРОХОВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СЛУХОВОГО ЭФФЕКТА СВЧ
ПУЩИНО • 1991
УДК 534.1.14 + 538.56
Р.Э.Тигранян, В.В. Шорохов. "Физические основы слухового эф-
фекта СВЧ. Пущино: ОНТИ Путинского научного центра
АН СССР, 1990, 131 с.
Монография посвящена изучению механизмов слухового эффекта
импульсного СВЧ поля, получившего в специальной литературе
название «радиозвук». Показана история развития исследований
в этой области. Рассмотрены различные представления о механизме
этого явления и приведены методические подходы к его исследованию.
Впервые эффект радиозвука исследован методом физического модели-
рования. В качестве моделей использованы цилиндрические и сфери-
ческие акустические резонаторы с поглощающей электромагнитное
излучение жидкостью и электронные модели.
На основе экспериментальных данных, полученных методом физи-
ческого моделирования, определены условия возбуждения слухового
ощущения у человека в зависимости от параметров облучающего поля
СВЧ, показана физическая природа радиозвука. Механизм возникно-
вения слухового ощущения при облучении головы человека и живот-
ных импульсным полем СВЧ объясняется поглощением энергии
импульса СВЧ, термоупругим расширением тканей, генерацией в
тканях механических колебаний и их передачей в улитку путем
костной проводимости.
Рассмотрены некоторые возможности применения полученных ре-
зультатов в научных исследованиях и технических разработках.
Ответственный редактор — д-р физ.-мат. наук проф.
Л.П.Каюшин
© Путинский научный центр АН СССР, 1991 г
ПРЕДИСЛОВИЕ
В ^предлагаемой вниманию читателей книге впервые в отечест-
венной литературе систематизированы данные о сенсорном акус-
тическом эффекте СВЧ, получившем название «радиозвук». Радио-
озвук — это явление возникновения слухового ощущения у чело-
века при облучении его головы импульсами электромагнитной
энергии СВЧ. На сегодня — это единственный известный науке
объективно воспринимаемый человеком эффект биологического
действия СВЧ.
Книга написана таким образом, чтобы дать читателю общую
картину развития исследований радиозвука, познакомить его с
аппаратурой и методами исследования. Радиозвук — явление
уникальное и до некоторого времени исследования его механизма
лежали в области интересов весьма ограниченного круга специа-
листов и лабораторий. При узкой направленности темы желание
авторов сделать книгу доступной для неспециалистов обусловило
стиль изложения. Именно поэтому выбранный авторами путь —
предварительный рассказ на примерах наиболее наглядных и
определяющих работ в области исследований механизма радио-
звука, можно считать удачным. Многие результаты в области
исследования механизма радиозвука, полученные авторами, пуб-
ликуются в этой книге впервые. Применение метода физического
моделирования радиозвука позволило им наиболее полно бсве-
тить различные аспекты возникновения радиозвука.
Хочется верить, что представленные авторами гипотезы будут
стимулировать интерес читателей к рассмотренным проблемам
и знакомству с новой областью науки — электромагнитобиологи-
ей, вобравшей в себя знания из области физики, химии, биологии
и медицины.
Рассмотренные в книге вопросы позволяют расценивать меха-
низм радиозвука как частное проявление общего свойства биоло-
гических объектов. Генерация акустических колебаний в биологи-
ческих объектах при поглощении импульса электромагнитной
энергии СВЧ может играть роль скрытого механизма, приводяще-
го к специфическим эффектам. Поэтому само явление генерации
акустических колебаний в биологических объектах представляет
собой большой научный и практический интерес.
Хочется надеяться, что книга будет полезна широкому кругу
читателей. Работа рассчитана на специалистов, работающих в
области биофизики, электромагнитобиологии, акустики, теории
слуха.
Отв. редактор — д-р физ.-мат. наук, проф. Л.П.Каюшин
3
ВВЕДЕНИЕ
Эволюция всех форм живой материи на Земле с момента ее
зарождения протекала на фоне действия естественного электро-
магнитного излучения (ЭМИ). Как любой экологический компо-
нент, электромагнитное поле (ЭМП) естественного происхожде-
ния участвовало в формировании живой материи, т.е. наряду
с прочими воздействующими факторами выполняло роль опреде-
ленного регулятора жизненного потенциала того или иного биоло-
гического элемента.
За последние сто лет созданы искусственные источники элект-
ромагнитного излучения, уровни мощности которых на много
порядков превышают естественный «электромагнитный фон» сре-
ды обитания человека.
Сложившееся в процессе эволюции равновесие во взаимодейст-
вии естественных ЭМП и биологических элементов является та-
ким образом нормой, нарушения которой могут привести к отри-
цательным для биологического элемента последствиям.
Человечество, создав источники ЭМИ, не в состоянии обойтись
без них. То есть проблема разработки мер защиты окружающей
среды, биоэлементов и человека в первую очередь, от СВЧ
излучения — одна из важнейших в настоящее время. Поэтому
необходимо изучить действие импульсных и прерывистых ЭМП
высокой и сверхвысокой частот (ВЧ и СВЧ) на биообъект. Это
диктуется следующими двумя основными причинами. Во-первых,
практически все современные устройства и системы СВЧ работа-
ют в импульсном режиме, или в режиме, характеризующемся
мгновенными ступенчатыми изменениями излучаемой мощности.
К таким устройствам и системам можно отИести радиолокацион-
ные станции, радиорелейные линии, телевизионные передатчики,
системы навигации и т.д. Во-вторых, любое мгновенное изменение
величины какого-либо активно действующего параметра внешне-
го фактора, как правило, вызывает более выраженный отклик
воспринимающей системы. Более того, субстанция, выступающая
в качестве акцептора, зачастую откликается не на абсолютное
значение величины какого-либо действующего параметра внешне-
го фактора, а на изменение (или скорость изменения) этой вели-
чины, то есть импульсный режим излучения оказывается более
выраженным фактором воздействия, чем непрерывный или квази-
непрерывный. Очевидно, здесь можно провести аналогию между
системами биологическими и техническими. Известно, что чем
4
шире полоса канала связи, тем больший объем информации
может быть по нему передан. И, с этой точки зрения, в примене-
нии к биологии, можно считать, что, чем шире эта полоса, тем
большее количество структур биологического объекта может всту-
пить во взаимодействие с электромагнитным полем.
Поэтому представляется естественным, что импульсный, или
прерывистый режим излучения более информативен, так как ши-
рина частотного канала зависит от длительности импульса: чем
короче импульс излучения, тем шире полоса частот канала связи.
Примером проявления воздействия на человеческий организм
импульсного СВЧ-излучения является слуховой эффект, часто
называемый в литературе «радиозвук»— отклик биологической
системы на мгновенное изменение величины излучаемой электро-
магнитной энергии, проявляющийся в объективном восприятии
человеком этих изменений. Это восприятие выражается в возник-
новении слухового ощущения при облучении головы человека
импульсами электромагнитной энергии СВЧ. На это явление об-
ратили внимание, когда лица, обслуживающие радиолокационные
станции, работающие в импульсном режиме, случайно оказались
в зоне действия излучающей антенны. Было отмечено, что у людей
возникает ощущение звука самых различных окрасок.
Впервые изучением этого явления занялся американский иссле-
дователь А.Фрай [97], который в лабораторных условиях воспро-
извел эффект радиозвука. Им же были выдвинуты некоторые
предположения относительно возможного механизма этого явле-
ния. Попытку объяснить механизм возникновения радиозвука
предпринял спустя почти полтора десятилетия Дж.Лин [137].
Гипотеза, предложенная Дж. Л ином, наиболее значима в истории
исследования радиозвука. Предлагаемая им трактовка радиозву-
ка была разработана под влиянием более ранних работ Фостера
и Финча [95], а также Уайта [174], которые показали, что при
облучении некоторых жидкостей, в частности 0,15 М раствора
КС1, импульсами СВЧ возбуждаются механические колебания
звуковой частоты. Дж.Лин развил термоэластическую концепцию
радиозвука, основанную на предположении, что при облучении
головы человека в результате поглощения электромагнитной
энергии тканями мозга происходит быстрое расширение этих
тканей — термоупругий удар, который возбуждает механические
колебания. Эти колебания приводят к возникновению у человека
звуковых ощущений. Работа Дж.Лина носит теоретический ха-
рактер и в основном посвящена выполненному с помощью ЭВМ
расчету распределения амплитуды звукового давления внутри
сферической модели с бесконечной добротностью и акустическими
и электрическими параметрами по величинам, приближающимся
к таковым для ткани мозга. Однако экспериментальных работ,
подтверждающих теоретическое рассмотрение вопросов, затрону-
тых в книге Дж.Лина, нет.
Несмотря на сорокалетнюю историю исследований и большое
5
количество накопленных феноменологических данных, до сих пор
нет целостной непротиворечивой концепции относительно возник-
новения эффекта радиозвука. Исследования этого эффекта в
большей части своей проводятся на добровольцах. Это приводит
к известным трудностям при определении количественных соотно-
шений исследуемых параметров радиозвука вследствие субъек-
тивной оценки слуховых ощущений. С другой стороны, применяе-
мые в экспериментах плотности энергии на порядки превышают
установленные санитарно-гигиенические нормы-, что не безразлич-
но для здоровья испытуемых. При исследовании эффектов ЭМИ
на лабораторных животных экспериментатор сталкивается с
проблемой переноса получаемых данных на человека. В создав-
шейся ситуации представляется весьма продуктивным метод фи-
зического моделирования.
Для того, чтобы создать полную картину состояния исследова-
ний радиозвука и выявить основные вопросы, решение которых
позволило бы понять механизм возникновения слухового ощуще-
ния у человека и разработать метод исследования, в монографии
будут рассмотрены работы, которые позволят проследить наме-
тившиеся тенденции в исследованиях радиозвука.
Исследование же самого радиозвука как проявления действия
импульсного СВЧ-поля на целостный организм представляет не
только научный интерес. На основе изучения характеристик этого
явления могут быть разработаны способы передачи информации
человеку или животному, а также интактный способ выработки
условного рефлекса у животных. Однако требуемые при этом
уровни излучения электромагнитной энергии делают нецелесооб-
разным применение такого канала связи на больших расстояниях.
Не исключено, что экспериментальные результаты в этой области
позволят разработать новые методы оценки качества слуха и
диагностики нарушений в слуховом органе.
Одним из перспективных направлений в этой области может
быть изучение характеристик возбужденных в жидких средах
механических колебаний импульсами СВЧ с целью разработки
устройств генерации механических колебаний звуковой частоты.
Применение таких устройств позволит возбуждать интенсивные
механические колебания в жидкостях в закрытых сосудах из
радиопрозрачного материала, а также в агрессивных средах, не
допускающих введения внутрь сосуда каких-либо вибраторов.
Интересным приложением в медицине может быть разработка
новых методов микроволновой терапии, сочетающих нагрев тка-
ней с объемным массажем за счет возбуждения в тканях челове-
ческого тела механических колебаний.
В настоящей работе на основе анализа и обобщения всего
объема психофизических, электрофизиологических, биохимичес-
ких экспериментов, теоретических работ, посвященных возбужде-
нию механических колебаний в среде при поглощении импульса
ЭМП, физических измерений в различных материалах, собствен-
6
них результатов по исследованию параметров возбужденных им-
пульсами СВЧ механических колебаний в цилиндрических и сфе-
рических жидкостных резонаторах и аудиометрии слуховых поро-
гов по костному проведению предложена новая концепция форми-
рования слухового ощущения. Суть ее заключается в предполо-
жении о существовании сложной колебательной системц, ответст-
венной за восприятие радиозвука, которая состоит по крайней
мере из двух низкодобротных контуров с коэффициентом связи
между ними выше критического. Такой подход позволил объяс-
нить сложный спектральный состав воспринимаемого слухового
ощущения, форму пороговых кривых радиозвука, а также некото-
рые особенности в аудиограммах костной проводимости, которые
были получены при регистрации слуховых порогов с помощью не
применявшейся ранее методики.
На основе предложенной концепции разработана и построена
двухконтурная резонансная электрическая модель, имеющая
функциональные аналоги в оригинале. В модельных эксперимен-
тах показана идентичность пороговых кривых эффекта и ампли-
тудно-частотной характеристики (АЧХ) модели в режиме импуль-
сного возбуждения. Показана единая природа так называемых
<типов> радиозвука, по-разному проявляющихся при различных
длительностях импульсов, что однозначно подтверждается спект-
рограммами и объясняется перераспределением спектральных
компонент механических колебаний при изменении длительности
импульса.
В натурном эксперименте обнаружены нулевые биения акусти-
ческого тонального сигнала с радиозвуком в области частот ниже
8 кГц, ранее никем не регистрировавшиеся, но необходимость
существования которых следовала из модельных экспериментов.
В эксперименте показана возможность моделирования радио-
звука акустическими аналогами, путем непосредственного воз-
буждения тканей черепа костным вибратором.
Тот факт, что предложенная концепция не только объяснила
известные литературные данные по радиозвуку, но и позволила
предсказать принципиально важный эффект, который затем полу-
чил экспериментальное подтверждение, а также безусловная за-
висимость частотно-пороговой кривой радиозвука от формы поро-
говой кривой костного проведения указывают на достаточную
полноту соответствия предложенной модели исследуемому явле-
нию.
Показано, таким образом, что независимо от формы проявле-
ния эффекта механизм радиозвука связан с физическими процес-
сами поглощения энергии ЭМИ в тканях головы и возбуждения
в них механических колебаний, а возникновение слухового ощу-
щения происходит за счет проведения этих колебаний по кости
к рецепторному аппарату органа слуха.
Некоторые существенные принципы физического моделирова-
ния радиозвука применимы для объяснения других эффектов
7
биологического действия ЭМИ. Метод и данные аудиометрии
слуховых порогов по костному проведению имеют и самостоятель-
ное значение и могут быть использованы для ранней диагностики
заболеваний слуховой системы.
Наличие противоречивых результатов в разных работах, посвя-
щенных исследованию радиозвука, различные тенденции в мето-
дических подходах и самой трактовке феномена радиозвука, и
наконец, долго имевшее место скептическое отношение к самому
факту такого восприятия внешнего фактора человеком не позво-
ляют представить материал в виде традиционного обзора. За
прошедшие 30 лет (первая работа датирована 1957 г.) в работах
по исследованию радиозвука наметились два основных и принци-
пиально различающихся взгляда на возможный механизм данно-
го феномена. Первый предполагал наличие непосредственного
действия электромагнитной энергии на структуры мозга и нерв-
ные образования, т.е. по сути дела предлагался механизм, связан-
ный с обработкой поступающей информации в некий сигнал,
спектральная характеристика которого частично доступна для
восприятия человеком в виде искаженного слухового ощущения.
Второе объяснение радиозвука связывалось с наличием такого
фактора как расширение тканей черепа головы человека за счет
поглощения электромагнитной энергии и выделения тепла. Такое
расширение тканей черепа должно было приводить к возбужде-
нию упругих механических колебаний и восприятию их за счет
костной проводимости. Однако ни первый, ни второй подходы не
были в состоянии до конца объяснить некоторые принципиальные
вопросы, которые остаются нерешенными до сегодняшнего дня.
Термоэластическая теория радиозвука, предложенная американс-
ким исследователем Дж. Л ином, тоже не смогла дать ответ на
вопрос, почему, например, слуховое ощущение, возникающее за
счет генерации упругих колебаний, не соответствует доминанте
частотного спектра передаваемого сигнала. Добавим к этому, что
практически все эксперименты по исследованию радиозвука вы-
полнялись на добровольцах и выводы, к которым затем приходили
те или иные исследователи, были основаны на субъективных
оценках испытуемыми собственных ощущений.
Фактически, первая экспериментальная работа, посвященная
объективной оценке одного из параметров радиозвука — воспри-
нимаемого частотного диапазона, появилась лишь в конце 70-х
годов, т.е. спустя почти два десятилетия. Да и сама постановка
систематических экспериментов на добровольцах в разных лабо-
раториях была нереальной. В то же время появились публикации,
посвященные возбуждению механических колебаний в различных
средах, в том числе жидких, при облучении этих сред импульсами
электромагнитной энергии СВЧ. Одновременно проводились рабо-
ты по изучению откликов слуховой системы животных на внешние
раздражители, в том числе на импульсные ЭМИ.
8
ГЛАВА L ИСТОРИЯ И РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЭФФЕКТА РАДИОЗВУКА
§ 1. Психофизические эксперименты с людьми
Первое сообщение о том, что импульсно-моДулированное элект-
ромагнитное излучение может вызывать у человека слуховые
ощущения относится к 1956 г. [67]. Сотрудниками радиолокаци-
онной станции было отмечено появление звуковых ощущений,
если они находились рядом с излучающей антенной, в то время
как акустических источников поблизости не было. Радиолокаци-
онная станция работала на частоте несущей 1,3 ГГц. Антенна
излучала прямоугольные радиоимпульсы длительностью 2 мкс,
мощностью 500 кВт и частотой следования 600 Гц. Звук наблю-
дался на расстоянии 1,54-2 м от излучающего рупора. С по-
мощью цилиндрического ( Х/4 в диаметре) экрана было установ-
лено, что наиболее чувствительной областью головы является
зона вблизи точки, находящейся посредине и несколько выше
условной линии, соединяющей ухо и глаз. Отмечается, что звук
ощущался обогащенным высокими частотами и почти не имел
основной, т.е. 600 Гц. Два человека, имевшие высокочастотную
границу слуха (ВЧГС) вблизи 5 кГц, значительно хуже восприни-
мали сигнал, чем те, слуховая чувствительность которых прости-
ралась»по крайней мере.до 15 кГц.
Начало систематическим исследованиям обнаруженного фено-
мена положила техническая заметка А.Фрая [97]. В эксперимен-
тах использовались два генератора с частотой несущей 1,31 и
2,982 ГГц. Первый генератор излучал прямоугольные радиоим-
пульсы длительностью 6 мкс с частотой 244 Гц, второй—1 мкс,
400 Гц. Испытуемые располагались на расстоянии 6 м от излуча-
ющей антенны. Уши при этом закрывались специальными заглуш-
ками, что позволяло снизить уровень окружающего шума до
404-50 дБ над абсолютным порогом слуха (АПС), равным
0,0002 дин «см“2. В экспериментах участвовало 8 человек. Всеми
лицами ощущался жужжащий характер звука. Ощущение возни-
кало без заметного латентного периода, сразу после включения
9
Рис. 1. Аудиограммы испытуемого № 1: радиозвук не воспринимался даже
при 30-кратном превышении плотности мощности, необходимой для нормального
восприятия (удален сосцевидный отросток) (заимствовано из (97/): 1—костная
проводимость (правое ухо); 2—костная проводимость (левое ухо); 3—воздуш-
ная проводимость (правое ухо); 4— воздушная проводимость (левое ухо)
Рис. 2. Аудиограммы испытуемого № 2: радиозвук воспринимался так же, как
и нормально слышащим (испытуемый страдал отосклерозом) (заимствовано из
(97/): 1—костная проводимость (правое ухо); 2—костная проводимость (левое
ухо); 3—воздушная проводимость (правое ухо); 4—воздушная проводимость
(левое ухо)
генератора или попадания человека в зону облучения. При сниже-
нии окружающего шума субъективно ощущаемая громкость ра-
диозвука возрастала. Для всех испытуемых источник звука казал-
ся локализованным на небольшом расстоянии сзади головы, неза-
висимо от их ориентации относительно излучателя. При определе-
нии пороговых величин были получены средние значения плотнос-
ти потока мощности (ППМср)— для генератора с частотой несу-
щей 1,31 ГГц— 0,4 мВт*см~2, для генератора, работающего на
частоте 2,982 ГГц— 2 мВт «см-2. При умножении этих величин
на скважность получаем импульсную плотность потока мощности
(ППМИ)—266,8 мВт-см“2 и 5Вт• см “2,соответственно. Используется
параметр, имеющий смысл количества энергии, переносимого за
время действия импульса через единичную площадку — плот-
ность потока энергии (ППЭ). В данном случае ППЭ=1,6 и
5 мкДж*см“2.
У добровольцев, участвовавших в эксперименте, были сняты
аудиограммы воздушной и костной проводимости. Причем отби-
рались добровольцы с различным характером нарушений функ-
ций слуха, с различной патологией. На рис. 1—4 приведены эти
аудиограммы для отдельных добровольцев. Результаты экспери-
ментов и аудиограммы добровольцев позволили прийти к следую-
щим выводам:
1. Для восприятия радиозвука необходимо, чтобы человек
воспринимал акустический сигнал с частотой выше 5 кГц путем
костной проводимости.
ю
Рис. 3. Аудиограммы испытуемого № 3: радиозвук не воспринимался (атро-
фия слухового нерва) (заимствовано из (97]): 1— костная проводимость (правое
ухо); 2—костная проводимость (левое ухо); 3—воздушная проводимость (пра-
вое ухо); 4—воздушная проводимость (левое ухо)
Рис. 4. Аудиограммы испытуемого №4: радиозвук 'не воспринимался несмотря
на нормальный акустический слух (заимствовано из (97]): 1—костная проводи-
мость (правое ухо); 2—костная проводимость (левое ухо); 3—воздушная
проводимость (правое ухо); 4— воздушная проводимость (левое ухо)
2. Для восприятия радиозвука нет необходимости в способнос-
ти восприятия звука за счет воздушной проводимости.
Таким образом, первый вывод фактически предопределил поиск
в дальнейших работах механизма возникновения радиозвука как
следствия физиологических особенностей слуха человека. Совер-
шенно естественным было после этого направить усилия на поиск
точки приложения воздействия электромагнитного поля, которая,
как следовало из выводов, сделанных в работе [98], наиболее
вероятно должна была находиться в области органа слуха. Вмес-
те с этим появлялась принципиальная возможность рассматри-
вать некоторые другие структуры в качестве возможных преобра-
зователей импульсно-модулированного СВЧ-поля в слуховое ощу-
щение.
В следующих работах [98, 99] А.Фрай установил зависимость
восприятия радиозвука от частоты несущей и режима модуляции.
Исследования проводились при уровне окружающего шума
704-90 дБ относительно АПС. Определение порогов восприятия
радиозвука показало, что ППМИ является определяющим факто-
ром воздействия, причем порог минимален в диапазоне
4254-1300 МГц и имеет величину порядка 250мВт«см“2 в им-
пульсе (рис. 5). Методом экранирования различных участков го-
ловы было установлено, что эффект не является следствием дейст-
вия ЭМП на пломбы или коронки зубов. Исключалось также
непосредственное действие на барабанную перепонку, поскольку
наличие и качество эффекта не зависело от положения испытуе-
мых относительно излучателя. Возможность взаимодействия
ЭМП с нейронными комплексами ставится автором под сомнение,
ввиду отсутствия каких-либо других сенсорных эффектов. Все
11
Рис. 5. Зависимость порого-
вой мощности от несущей
ЭМП (уровень окружающего
шума 70—90 дБ) (заимствова-
но из (98])
испытуемые однозначно отмечали, что
снижение влияния окружающего шу-
ма с помощью специальных заглушек
в слуховом канале приводило к усиле-
нию эффекта (рис. 6). Результаты
экспериментов показали также, что
уровень восприятия коррелирует с пи-
ковой мощностью, а не со средним
значением уровня мощности. Зависи-
мости эффекта от типа излучателя и
поляризации поля обнаружено не бы-
ло.
В табл.1 приводятся параметры
режимов облучения.
Экспериментальные данные и пост-
роенные расчетные кривые [98] глу-
бины проникновения излучения в тка-
ни мозга в зависимости от частоты
несущей (рис. 7) позволили автору
работы определить, что наиболее
чувствительной областью к СВЧ-из-
лучению, с точки зрения формирова-
ния слухового образа, является ви-
сочно-ушная область. Поскольку расчеты показали, что погло-
щенная энергия СВЧ-поля может затрагивать и корковые отделы,
А.Фрай пришел к следующим выводам относительно возможной
точки приложения действия СВЧ-поля как возбудителя радиозву-
ка (или как начальной субстанции, запускающей механизм восп-
риятия радиозвука):
1. Барабанная перепонка не может быть возбудителем, так как
у лиц, страдающих отосклерозом, возникало субъективное ощу-
щение звука при облучении импульсами СВЧ.
2. В качестве возбудителя слухового ощущения при облучении
головы человека импульсами СВЧ может быть улитка органа
слуха, но экспериментальных данных, подтверждающих это пред-
положение, нет.
3. Возможно непосредственное действие СВЧ-поля на мозг.
Однако сам А.Фрай тут же поставил вопрос: «Если такая возмож-
ность принципиально существует, то почему импульсное СВЧ-по-
ле не проявляется в других объективных ощущениях?*
Таким образом, уже в первых работах в области исследования
радиозвука поставлены вопросы, ответы на которые необходимо
было искать на довольно удаленных друг от друга уровнях.
В работе [90] исследовалось возбуждение слуховых ощущений
при облучении людей ЭМП с частотами 3; 6,5 и 9,5 ГГц, промоду-
лированными прямоугольными импульсами длительности от 0,5 до
2,0 мкс и частотой следования импульсов до 1 кГц при
12
Рис. 6. Понижение порога восприятия радиозвука с помощью противошумных
устройств (заимствовано из (98]): 1— теоретический предел, ослабленный воз-
душным протектором; 2— противошумы
Рис. 7. Расчетная кривая зависимости глубины проникновения (см) внутрь
головы ЭМИ от частоты несущей (заимствовано из (98]): □—20%; О—10%
падающей мощности
ППМср =5 мВт-см “2 (ППМИ порядка 5Вт-см“2). Отмечается,
что ни один испытуемый не слышал звука при облучении с
частотой несущей 9 ГГц и только один ощущал наличие радиозву-
ка при частотах 3 и 6,5 ГГц при первом облучении. У остальных
звуковые ощущения возникали только после 5—8-кратного облу-
чения. По субъективной оценке испытуемых, кажущийся источник
звука находился со стороны, противоположной излучению. Су-
щественно, что никто не услышал звука при длительности импуль-
сов, равной 0,5 мкс. Облучение с частотой следования импульсов,
равной или меньшей 100 Гц, воспринималось в виде отдельных
жужжащих щелчков, при большей частоте звук сливался. В этой
работе впервые указывается на зависимость субъективной оценки
возникающего слухового образа от частоты следования импуль-
сов. Д.Фрай не смог объяснить результаты своих исследований
с точки зрения наличия какого-либо механизма, однако его другие
работы позволяют нам высказать некоторые соображения по
этому поводу.
На рис. 5 и 7 показано, что с увеличением частоты несущей
уменьшается глубина проникновения излучения в ткани мозга,
резко возрастает пороговый уровень пиковой мощности, необхо-
димый для формирования радиозвука. Очевидно, что уровни из-
лучения, используемые в работе [90], оказались недостаточными
для формирования восприятия радиозвука. К такому же заключе-
нию, видимо, можно прийти, исходя из того, что для всех испытуе-
мых требовалось многократное облучение для возникновения
ощущения радиозвука.
На различный характер воспринимаемых звуков указывал в
своих работах Д.Фрай [98, 99, 103]. Во время облучения всеми
испытуемыми отмечалось, что радиозвук проявляется в виде
жужжания и шипения. Д.Фрай отмечает, что субъективная оцен-
13
02 * 1.0 2*0
ппмср
Рис. 8: а — субъективная
оценка громкости радиозвука как
функция импульсной плотности
энергии СВЧ; б — субъективная
оценка громкости радиозвука как
функция средней плотности энер-
гии СВЧ. По оси ординат от-
ложены уровни громкости ра-
диозвука относительно уровня
громкости при ППМ№ 9 равной
100 мВт-см~^ (заимствовано из
ПОЗ/)
ка испытуемых указывает на высокочастотный характер воспри-
нимаемого радиозвука. А само восприятие радиозвука проявляет-
ся лучше в диапазоне несущей 0,34-3 ГГц.
В работе [ЮЗ] представляет интерес экспериментальная зави-
симость уровня возбуждаемого радиозвука от импульсной мощ-
ности. В табл. 2 приводятся данные использованных значений
импульсной и средней плотностей потока мощности при различ-
ных длительностях импульсов СВЧ, а на рис. 8— Зависимость
уровня «слышимости* радиозвука от этих параметров СВЧ излу-
чения. В экспериментах участвовали четыре специально натрени-
рованных наблюдателя с клинически нормальным слухом. Во
время облучения они находились в безэховой камере. Испытуе-
мым вначале предъявлялся акустический сигнал, громкость кото-
рого условно принималась за 100 единиц, а громкость радиозвука
оценивалась относительно этой величины (метод шкалирования).
Фиксируя один из параметров излучения и меняя другие, экспери-
ментаторы получали от наблюдателей качественные характерис-
тики ощущаемого звука. Авторы отмечают, что ощущаемая гром-
кость радиозвука в поставленных экспериментах зависит от
ППМИ в большей степени, чем от ППМср. Оценка минимальной
ППМИ, необходимой для возникновения звукового ощущения,
дала величину 80 мВт-см”2. При постоянной ППЭ =
= 6,3 мкДж «см “2 громкость уменьшалась при увеличении дли-
тельности импульсов выше 30 мкс. Для длительностей 10—30 мкс
громкость оставалась одинаковой. Всеми испытуемыми отмеча-
лось, что радиозвук имеет как тональную, так и тембральную
окраску. Обе эти характеристики зависели от частоты следования
импульсов.
Психофизические эксперименты по восприятию людьми радио-
звука проводились также А.Гаем с сотр. [113] на частоте несу-
щей 2450 МГц при длительности импульсов от 0,5 до 32 мкс.
14
Таблица 1
Параметры режимов облучения |98|
Генератор Частота несущей, МГц Длительность им- пульса, мкс Частота следова- ния импульсов, Гц
1 1.310 6 244
2 2.982 1 400
3 425 125 27
4 425 250 27
5 425 500 27
6 425 1000 27
7 425 2000 27
8 8.900 2.5 400
Таблица 2
Зиачеиия средней и импульсной мощностей при различных длительностях импуль-
са (заимствовало из |103|)
№ эксперимента Импульсная мощ- ность, мВт* см ~2 Средняя мощность, • мВт*см“2 Длительность им- пульса, мкс
Изменение импульсной мощности
1 90 0.32 70
2 105 0.32 60
3 125 0.32 50
4 210 0.32 30
5 315 0.32 20
6 630 0.32 10
6а 630 1.26 40
Изменение средней мощности
1 370 0.19 10
2 370 0.37 20
3 370 0.55 30
4 370 0.93 50
5 370 1.11 60
6 370 1.29 70
Основной задачей экспериментов было определение значений по-
роговой энергии эффекта для различных длительностей импуль-
сов. Эксперименты проводились с участием двух наблюдателей,
которые располагались в экранированной камере. Уровень окру-
жающего шума составлял 45 дБ относительно АПС. Один из
испытуемых обладал клинически нормальным слухом, а у второго
отмечалось снижение на 55 дБ чувствительности в районе 3,5 кГц.
Подобными были и аудиограммы костной проводимости. Было
найдено, что для первого наблюдателя, независимо от пиковой
мощности и длительности импульсов, порог находился в районе
40мкДж*см“2 в импульсе или 16мДж*кг-1 удельной поглощен-
ной энергии (УПЭ) при расчете по сферической модели, предло-
женной в работе [121]. Применение специальных противошумных
заглушек приводило к снижению пороговой ППЭ с 35 до
28 мкДж • см“2. Порог второго испытуемого вблизи 3,5 кГц был
около 135 мкДж • см “2. Для очень низкой частоты повторения
(~3 Гц) каждый импульс воспринимался в виде отдельного
15
щелчка, а короткая серия импульсов воспринималась как тональ-
ный сигнал, соответствующий частоте повторения. Порог для
одиночного импульса был таким же, как и для парных импульсов,
отстоящих друг от друга на несколько сотен микросекунд, если
они несли одинаковое общее количество энергии.
Кайн и Рисман [75, 76] определяли пороговые характеристики
восприятия радиозвука у восьми испытуемых-добровольцев, для
которых предварительно были сняты аудиограммы как по воздуш-
ной, так и по костной проводимости. Облучение велось на частоте
несущей 3 ГГц. Уровень окружающего шума составлял 45 дБ над
АПС. Пятеро испытуемых услышали щелчки того же характера,
что и в работах [97, 113]. Трое других испытуемых смогли
услышать радиозвук только при максимальной мощности генера-
тора и увеличении длительности импульсов до 20 мкс. Пороги
определялись только для первых пятерых испытуемых. Оказалось,
что ППЭ варьирует от 2,3 до 20 мкДж-см“2 (ППМИ от 225 до
2500 мВт-см”2) в зависимости от конкретного человека. Пос-
кольку аудиограммы воздушной и костной проводимости для
обычного звука определялись только до частоты 8 и 4 кГц,
соответственно, невозможно соотнести факт отсутствия слуховых
ощущений у 3 испытуемых с чувствительностью их органов слуха
к более высоким частотам.
В.В.Тяжелов с сотр. [55, 170] провели большую серию психо-
физических исследований, в которых удалось, наряду с разнооб-
разием методик, направленных на выяснение особенностей рас-
сматриваемого явления, внести ранее отсутствовавший в такого
рода экспериментах элемент объективности. Тот же эксперимен-
тальный материал использован в работах [54, 58, 126, 127] с той
лишь разницей, что в них делается попытка интерпретации ре-
зультатов и формулировки на этой основе гипотезы возможного
механизма явления.
В экспериментах использовался генератор с частотой несущей
800 МГц и максимальной импульсной мощностью 500 Вт. Дли-
тельность импульсов варьировалась в пределах 54-150 мкс, час-
тота следования — от 50 до 20000 Гц. Для всех испытуемых
(18 человек) предварительно определялась высокочастотная
граница слуха. Уровень окружающего шума в помещении, где
проводились эксперименты, оценивался величиной 40 4-60 дБ над
АПС.
Ни один из испытуемых, у которых ВЧГС была ниже 10 кГц, не
услышал радиозвука при длительности импульсов 10—30 мкс. Из
15 наблюдателей с ВЧГС, лежащей выше 10 кГц, только один не
смог услышать радиозвука при такой модуляции. Все, слышавшие
радиозвук при длительности импульсов 10—30 мкс (при этом
ППМИ на поверхности головы превышала 0,5 Вт-см"2), отмечали
политональный характер звукового ощущения при частоте следо-
вания до 8 кГц и монотональный при частоте следования выше
16
Рис. 9. Пороговые кривые эффекта радиозвука в зависимости от частоты
следования импульсов при длительности 10—40 мкс: а — ВЧГС 14 кГц;
б —ВЧГС 17 кГц
10 кГц. Во всех случаях источник звука казался находящимся
в голове.
В экспериментах снимались пороговые характеристики радио-
звука в зависимости от частоты следования и длительности им-
пульсов. При увеличении частоты следования импульсов от 6 до
8 кГц наблюдалось снижение громкости (подъем порога чувстви-
тельности), в то время как звук становился более монотональным,
хотя по-прежнему содержал не менее трех компонент. Наблюдате-
ли с ВЧГС ниже 15 кГц в зоне повышения порога полностью
утрачивали способность восприятия радиозвука при применяв-
шихся ППМИ (~1 Вт*см“2), в то время как наблюдатели с
ВЧГС^ 17 кГц имели в этой области лишь незначительный подъ-
ем порога (—0,3 Вт*см-2) (рис. 9). Кроме того, отмечено, что
первые были не в состоянии различать сигналы с частотой следо-
вания 5 и 10 кГц. Испытуемые же с более широким слуховым
диапазоном отмечали, что кажущаяся высота тона для 5 кГц
выше, нежели для 10 кГц. Для различных частот следования
импульсов, длительность которых в этой серии экспериментов
была 10 мкс, пороги, выраженные в ППЭ, варьируют от
2мкДж*см-2 и в основном до 10 мкДж*см“2. Одиночные им-
пульсы начинают прослушиваться при ППЭ«45 мкДж • см “2.
Сложная пороговая характеристика была обнаружена и для
зависимости от длительности импульсов при постоянной их пико-
вой амплитуде (рис. 10). При изменении длительности импульсов
от 5 до 50 мкс громкость воспринимаемого радиозвука возраста-
ла, затем при длительностях от 70 до 100 мкс звук убывал до
полного исчезновения, снова появлялся и нарастал при больших
длительностях. Причем при приближении длительности импульсов
17
дБ
40 80 120
Длительность
импульсов, мкс
Рис. 10. Пороговая кривая
эффекта радиозвука в зависи-
мости от длительности импульса
при частоте следования 800 Гц
к величине НО мкс некоторые испы-
туемые отмечали резкое изменение
характера ощущения — скачкообраз-
ное снижение высоты тона и переме-
щение кажущегося источника звука
из головы вовне. Оказалось, что да-
же люди, которые имели ВЧГС ниже
10 кГц и не были способны воспри-
нимать радиозвук при малых дли-
тельностях импульса, услышали его
при больших. Для других наблюда-
телей при плавном уменьшении дли-
тельности импульсов от 100 к 60 мкс
наблюдался своего рода «эффект
захвата частоты» [54, 58], состояв-
ший в одновременном восприятии и
высокочастотного и низкочастотного (т.е. проявляющегося при
больших длительностях) радиозвука — при длительности менее
50 мкс последний исчезал. Перерыв в облучении на 24-4 с также
приводил к исчезновению в восприятии низкочастотного радио-
звука.
Наиболее важной характеристикой исследуемого явления, как
с точки зрения возможности последующей ее интерпретации в
целях поиска наиболее оптимального .режима модуляции, так и
с точки зрения поиска возможного механизма, служит частотный
диапазон воспринимаемого радиозвука. Знание этой характерис-
тики позволило бы сузить поиск и сделать его более целенаправ-
ленным. Именно этой проблеме в первую очередь посвящена
работа [68], в которой методом нулевых биений удалось опреде-
лить границы частотного диапазона воспринимаемого радиозвука
в тех экспериментальных условиях, в которых он обычно ис-
следовался.
Аналиэ предыдущих работ показал, что характер воспринимае-
мого радиозвука по субъективной оценке не соответствует частоте
следования имйульсов. Это обстоятельство в первую очередь
и порождало отношение к радиозвуку, как к явлению, имеющему
физиологическую основу.
Здесь необходимо сделать следующее замечание. Авторы нас-
тоящей работы в дальнейшем будут пользоваться терминами
«физиологический» и «физический» в приложении к первичному
акту взаимодействия электромагнитного поля и биологической
субстанции, а не к конечному результату — формированию слухо-
вого ощущения. Т.е. под термином «физиологический» подразуме-
вается специфическое действие электромагнитного поля только на
биологические объекты, а под термином «физический»— взаимо-
действие электромагнитного поля с веществом вообще.
Вместе с тем ни в одной из работ не проглядывался какой-либо
цельный механизм этого явления, в котором физиологические
18
особенности какой-либо из структур, выделенных в работе [98],
проявлялись бы четко и однозначно. Однако к моменту выполне-
ния работы [170] в печати уже появились сведения о результатах
исследований, которые фактически представляли первую попытку
понять процесс формирования слухового ощущения у человека
при облучении импульсами СВЧ не с точки зрения физиологии, а
с точки зрения физики. И хотя приоритет в этом направлении, по
нашему мнению, принадлежит работе [174], вышедшей в 1963 г.,
тем не менее спустя лишь 12 лёт, исследователями была предпри-
нята попытка рассмотрения эффекта радиозвука с позиции фи-
зики.
Вернемся к работе [170], в которой описан следующий экспе-
римент. Одновременно с облучением головы испытуемого импуль-
сами СВЧ включался электродинамический излучатель, питаемый
генератором звуковых частот. Идея эксперимента состояла в том,
что при равенстве частоты следования импульсов поля и частоты
звуковых колебаний испытуемый должен услышать нулевые бие-
ния. Однако этого не произошло. При любой частоте следования
импульсов от 0,8 кГц и выше нулевые биения фиксировались
только в том случае, если частота акустического сигнала была
выше 8 кГц и соответствовала обертону частоты следования им-
пульсов СВЧ. В табл. 3 приводятся значения частот следования
импульсов СВЧ и частот акустического сигнала, на которых были
зафиксированы нулевые биения.
Данные, приводимые в таблице, позволяли прийти к выводу
о том, что нижняя граница воспринимаемого радиозвука лежит
в области 8 кГц и простирается до ВЧГС. Для более четкой
фиксации нулевых биений, наблюдателям предоставлялась воз-
можность подстраивать амплитуду и фазу акустического сигнала
таким образом, чтобы происходило полное подавление звукового
ощущения. Нужно отметить, что эти данные были получены при
длительностях импульса СВЧ 5—10 мкс.
Таким образом, авторами этой работы был сделан вывод о
.возможности восприятия радиозвука только для частот, начиная
с 8 кГц и выше. Проявление же более низкочастотного радиозву-
ка рассматривается как принципиально отличное от обычного
«высокочастотного радиозвука» явление, по крайней мере, другой
его тип, который не менее чем на 20 дБ подавлен высокочастот-
ным и ощущается только в минимуме проявления последнего.
Из теории Дж.Лина [56], рассматривавшего голову человека
как резонатор и связывавшего частоту возбужденных механичес-
ких колебаний с размером головы, следовало, что при увеличении
размера головы резонанс должен был бы сместиться, что должно
было привести к изменению частоты воспринимаемого радиозву-
ка. Для проверки этого предположения испытуемые погружались
в контейнер с водным раствором поваренной соли с акустически-
ми и электрическими параметрами, близкими к таковым в тканях.
При этом предполагалось, что за счет увеличения эффективного
19
Таблица 3
Значения частот следования импульсов СВЧ и тонального сигнала, соответствую-
щие наличию нулевых биений по субъективной оценке испытуемых (крестиками
обозначены моменты, когда отмечались биения)
Частота сле-
дования им-
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Частота тонального сигнала, кГц
1 I 2 I 3 I 4 I 5 | 6 I 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14
радиуса головы, вследствие равенства этих параметров должна
уменьшиться частота резонанса и испытуемый будет восприни-
мать более низкочастотный радиозвук. Однако этого обнаружить
не удалось. При длительности импульсов менее 50 мкс наблюда-
лось уменьшение громкости пропорциоиальйое степени погруже-
ния головы в воду. При увеличении длительности импульсов
свыше 50 мкс, даже частичное погружение в воду приводило
к утрате ощущения звука.
В работах [126, 127] рассматривался вопрос о возможности
существования двух типов радиозвука —«высокочастотного* и
«низкочастотного» на основе полученных ранее [170] результа-
тов. Была рассмотрена возможность существования «двух типов
радиозвука» как следствие наличия двух механизмов, приводя-
щих к формированию различных слуховых ощущений. Один —
низкочастотный, трактовался как результат теплового расшире-
ния тканей при поглощении импульса электромагнитной энергии
СВЧ (в соответствии с термоэластической концепцией Дж.Лина),
высокочастотный — как результат действия этого же импульса на
нейронные структуры — параметрическая синхронизация. Однако
дальнейшего развития эти работы не получили, и механизм воз-
буждения того или иного типа радиозвука остается на уровне
предположений.
В работе [72] авторы предприняли попытку воспроизвести
результаты психоакустических исследований [107, 160] по субъ-
ективному сравнению двух импульсных последовательностей с
разным режимом модуляции, заменив тестовый звуковой сигнал
на сигнал СВЧ. Однако получить тот же результат, что и в
20
психоакустических исследованиях, авторы не смогли. В работе
имели место очевидные методические просчеты, что и могло стать
причиной неудачи. В частности, вывод о том, что частота слыши-
мого радиозвука лежит в пределах 4,8±0,8 кГц, сделан из оши-
бочной посылки и противоречит как класссической работе одного
из авторов [97], так и другим работам [55, 170]. На основе этого
вывода тем не менее делается заключение, что структурой, детек-
тирующей ЭМП, являются наружные волосковые клетки кортиева
органа.
В заключение необходимо добавить, что существует ряд работ
по исследованию поведенческих реакций лабораторных животных
на ИМ ЭМИ [15, 100, 102, 104, 114, 122, 129, 166]. В них
различными независимыми способами подтверждается предполо-
жение о том, что у животных так же, как и у людей, импульсное
ЭМП СВЧ может вызывать слуховые ощущения.
§ 2. Регистрация вызванных электрических потенциалов в различ-
ных отделах слуховой системы
А.Фрай в 1967 г. впервые попытался зарегистрировать вызван-
ные импульсами ЭМИ электрические потенциалы в 4 точках
ствола мозга [101]. Несмотря на то, что использовавшиеся им
электроды, как было показано позже [121], приводили к концент-
рации энергии ЭМП на своих кончиках на 2 порядка выше
средней, автор считает, что ему удалось получить безартефактные
записи, поскольку после смерти животного отклик вслед за стиму-
лом не появлялся. И здесь, и в работе [102] автор настаивает на
прямом, непосредственном восприятии ЭМИ какими-то нервными
структурами, лежащими ниже точек, где регистрировались выз-
ванные потенциалы (ВП). Это заключение следовало из неудав-
шейся попытки зарегистрировать микрофонные потенциалы улит-
ки (МПУ) одновременно с вызванными потенциалами в точках
восходящего слухового пути, что удавалось сделать при акусти-
ческом щелчке.
В работе [167] регистрировались отклики на импульсную мик-
роволновую и акустическую стимуляцию в трех точках восходя-
щих путей слуховой системы: в VIII черепно-мозговом нерве,
внутреннем коленчатом теле и первичной слуховой коре. Во всех
этих точках были зарегистрированы ВП одинаковые при обоих
видах стимуляции. ВП не возникали после разрушения улитки.
Все эксперименты были проведены на кошках при следующих
параметрах стимуляции: акустические импульсы имели длитель-
ность 10 мкс и частоту 1 Гц, микроволновое излучение 2450 МГц
модулировалось импульсами длительности 32 мкс с частотой 1 Гц.
Авторы интерпретируют свои данные в поддержку утверждения,
что радиозвук возникает на периферии слуховой системы подобно
эффекту от обычного акустического стимула, несмотря на то, что
им не удалось зарегистрировать МПУ. Возможной причиной от-
сутствия регистрируемых МПУ, считают авторы, является малая
21
амплитуда механических смещений. Действительно, в работе
[172] было показано, что величина акустического стимула, необ-
ходимая для появления МПУ, регистрируемых обычной аппарату-
рой, должна быть на 40 дБ выше, чем та, на которую возникает
поведенческий отклик животного.
В 1974 г. появилась первая отечественная работа по исследова-
нию эффекта радиозвука [36]. Авторы регистрировали изменения
в ВП слуховой зоны коры головного мозга кроликов и белых крыс
на звуковой щелчок в зависимости от параметров одновременно
предъявлявшегося ИМ СВЧ-излучения. При ЭМИ с несущей
частотой ЗГГц никаких изменений не зарегистрировано. При
облучении с частотами несущей 2,05 и 2,5 ГГц отмечено уменьше-
ние амплитуды ВП в ответ на включение поля. Латентный период
несколько увеличивался или оставался неизменным. Восстановле-
ние всех характеристик до исходного уровня происходило еще во
время облучения, которое, как правило, продолжалось 3 минуты.
В 1973 г. вышла первая [112], а затем с 1975 по 1979 гг. еще
около десяти методически очень близких работ лаборатории
А.Гая, посвященных электрофизиологическим исследованиям эф-
фекта радиозвука [78, 79, 81—86, 113].
В работах [112, 113] регистрировались ВП во внутреннем
коленчатом теле и в круглом окне улитки кошек в ответ на
воздействие импульсных СВЧ и акустических стимулов и опреде-
лялись пороговые интенсивности ЭМИ. Были записаны отклики
в обеих точках при частотах несущей 918 и .2450 МГц. Для этих
несущих в пределах длительностей импульсов 0,5—32 мкс пороги
отличаются незначительно и имеют величину порядка
20 мкДж *см”2 на импульс. На акустический щелчок так же, как
и в работе [167], были получены отклики, идентичные откликам
на импульс ЭМИ (рис. 11). МПУ на микроволновой стимул авто-
рам зарегистрировать не удалось, однако разрушение улитки
посредством, аспирации приводило к исчезновению ВП в обеих
точках регистрации. Интересно, что отклики возникали и для
частот несущей 8,67 и 9,16 ГГц, но при этом порог для ти =32 мкс
имел величину от 472 до 1240 мкДж «см~2.
Первое сообщение о регистрации МПУ в ответ на импульс
ЭМП СВЧ появилось в 1975 г. [78]. Принципиальное значение
этого факта заключается в том, что наличие вызванных МПУ
непосредственно и однозначно свидетельствует о детектировании
ЭМП на периферии слуховой системы, поскольку МПУ возникает
при механической деформации волосковых клеток органа Корти
вследствие динамических процессов на базилярной мембране [56,
117, 123, 156]. Для уверенной регистрации МПУ у морских свинок
при облучении их импульсами ЭМИ был сконструирован специ-
альный цилиндрический волновод, в котором при введении объек-
та достигался режим бегущей волны. По оценке авторов, УПЭ
была на порядок больше, чем при других способах облучения.
22
Записи в круглом окне улитки
2 мс
----
। ’ Щелчок из динамика
Кошка № 107
Кошка Ns 107
2 мс у Микроволновый импульс
2450 МГц
1 мс
^^Пьезокристалл
Артефакт стимула
Кошка № 116
Кошка Ns 128
0.2 мВ
Рис. 11. Отклики, записанные в слуховом нерве кошек, в ответ на акустичес-
кие и микроволновые импульсы (заимствовано из [167])
Расширение частотного диапазона в цегж регистрации до 80 кГц
и снижение амплитуды наводок, приводящих к артефактам, поз-
волило уверенно зарегистрировать (при накоплении порядка 400
откликов) МПУ в круглом окне морских свинок при частоте
несущей ЭМИ, равной 918 МГц, длительности импульсов
14-10 мкс, частоте следования импульсов 100 Гц и импульсной
мощности—10 кВт (рис. 12). Зарегистрированный сигнал имел
частоту порядка 50 кГц, амплитуду около 50 мкВ и протяжен-
ность 200 мкс. Отклик на акустический щелчок 10 мкс характери-
зовался теми же параметрами.
В работе [79] было также показано, что микроволновый, акус-
тический (с закрепленного на черепе пьезокристалла и из громко-
говорителя) и лазерный импульсы приводят к появлению МПУ
идентичных характеристик при соответствующих параметрах сти-
мулов.
В работах [82, 85] делается заключение, что при длительности
импульса меньше 30 мкс порог зависит только от УПЭ (пропорци-
ональной ППЭ). Минимально необходимая УПЭ—5мДж-кг-1
в импульсе.
МПУ у кошек регистрировались в работах [81, 83]. Они имели
частоту порядка 38 кГц независимо от ориентации, длительности
импульсов (до 30 мкс), частоты несущей (918 и 2450 МГц), поля-
ризации поля и типа излучателя. Авторами исследовалась корре-
ляция частоты МПУ с десятью анатомическими параметрами
животных. Оказалось, что таковая имеет место только для вели-
23
Артефакт
Длитель-
ность
импульса,
мкс
5
Средняя поглощенная
энергия в импульсе, Дж/кг
10
0,133
0,67
0,133
918 МГц,
10 кВт имп. мощн.
20 "мкс I50 мВ
Рис 12. Записи МПУ в круглом
окне улитки морской свинки в ответ
на микроволновые импульсы длитель-
ности 1, 5 и 10 мкс (рис. из [78 J)
га.
Исследованию ВП в стволе
чины, большей оси внутренней
полости черепа, хотя количест-
венная оценка этой корреляции
не приводится. На основе полу-
ченных результатов, авторы оце-
нивают частоту МПУ человека
величиной 74-16 кГц.
Дж.Лин с сотрудниками ре-
гистрировали вызванные потен-
циалы в стволе мозга и на коже
головы кошек [144]. Здесь так-
же было показано, что СВЧ-им-
пульс и акустический щелчок
приводят к откликам, аналогич-
ным по форме.
В работах [84, 86] корректно
показано, что система косточек
среднего уха практически не иг-
рает никакой роли при восприя-
тии радиозвука. В частности, их
демпфирование заполнением по-
лости среднего уха минераль-
ным маслом не приводило к из-
менениям в откликах, регистри-
ровавшихся в ядрах ствола моз-
озга при облучении белых крыс
в цилиндрическом волноводе посвящена работа [89]. Порог отк-
лика при частоте несущей, равной 2350 МГц, длительности им-
пульсов 1 4-10 мкс и частоте следования импульсов 10 Гц равнял-
ся 1,54-3 мкДж*см”2. При этом УПЭ была от 0,9 до
1,8 мДж*кг”1 в импульсе. Форма откликов аналогична, получен-
ным в [123], за исключением более короткого латентного периода
в последней работе.
Необходимо отметить, что все пороговые данные, полученные
в цилиндрических волноводах и приводимые в виде ППМ, имеют
общность только для этих типов волноводов, поскольку, по дан-
ным [88], например, при 1 мВт*см”2 падающей ППМ в плоской
волне удельная поглощенная мощность (УПМ) будет составлять
0,22 Вт*кг“’, в то время как в волне с круговой поляризацией —
0,6 Вт-кг”1.
В работах [75, 76] регистрировались ВП в задних буграх
четверохолмия и на коже головы кошек, собак и кроликов. Откли-
ки на микроволновый и акустический импульсы имели идентичный
вид с небольшой задержкой для последних вследствие некоторого
отдаления громкоговорителя от животного. Пороги реакции на
ЭМИ с частотой несущей 3 ГГц лежали вблизи 10 мкДж*см”2.
24
Регистрации экстра клеточных потенциалов в одиночном волок-
не слухового нерва в ответ на микроволновый (915 МГц) и
акустический стимулы посвящены работы [131 — 134J. Оценку
изменений в характере импульсации в ответ на воздействие произ-
водили по изменениям во временной постстимульной гистограмме
(ВПСГ). Оказалось, что по крайней мере 50% нейронов дают
отклик на импульс СВЧ в диапазоне длительности 25—300 мкс.
Характер изменений в гистограммах аналогичен таковому для
акустического импульсного стимула длительности 20—200 мкс.
Латентный период отклика одиночного элемента слухового нерва
на импульс ЭМИ равнялся 2—5 мс. Отмечено, что амплитуда
ВПСГ является немонотонной функцией длительности импульсов
ЭМИ так же, как и акустических [128]. Авторы считают, что их
результаты строго указывают на возникновение первичной реак-
ции на ЭМП в периферических отделах слуховой системы.
Возможность регистрации откликов одиночных волокон слухо-
вого нерва на микроволновый импульс и существование для
каждого волокна некоторой характеристической частоты позво-
лили исследовать спектральный состав сигнала, переносимого
всем нервом [180, 181]. Для этого строилась зависимость порога
отклика одиночного волокна от его характеристической частоты.
Характеристическая частота определялась предварительно, при
воздействии на слуховую систему тонального акустического сиг-
нала. Оказалось, что спектр отклика на микроволновый импульс
очень близок к спектру прямоугольного импульса той же дли-
тельности.
Было обнаружено, что некоторые нейроны в слуховом нерве
имеют аномально малую величину латентного периода при микро-
волновом воздействии — порядка 700 мкс, тогда как для акусти-
ческого щелчка он не бывает меньше 1 мс. Проявляется эта
аномалия очень редко и только при чрезвычайно больших интен-
сивностях— порядка нескольких сотен мкДж*см-2 в импульсе,
что превышает «обычные» пороги в 10-? 100 раз [133]. Прямыми
измерениями тех же авторов [181] было установлено, что подъем
температуры на 1,4°С за 20 мин также приводил к уменьшению
латентного периода откликов в стволе мозга крыс на звуковой
щелчок примерно на 200 мкс. Динамика роста температуры, уве-
личения амплитуды откликов и уменьшения их латентного перио-
да была одинаковой.
Спектральные характеристики откликов слуховой системы на
импульсное воздействие ЭМИ исследовались также в работе
[163]. Авторами были идентифицированы 27 одиночных нервных
волокон в слуховых ядрах кошек по характеристическим частотам
в диапазоне от 931 Гц до 25,5 кГц. В качестве воздействующего
фактора использовались одиночные, различной длительности, и
Парные, с различной задержкой, импульсы ЭМИ частоты несущей
915 МГц. Пороги откликов не превышали 0,5 мкДж• г""1. Оказа-
25
лось, что зависимость амплитуды откликов от длительности им-
пульса (для одиночных импульсов) и от величины межимпульсно-
го интервала (для парных импульсов) имеет тот же вид, что
и соответствующая характеристической частоте данного нейрона
компонента спектра импульсного стимула. Такая закономерность
имела место во всем исследованном диапазоне характеристичес-
ких частот. Это означает, что по нервным волокнам передается
весь спектр возбуждающего сигнала.
§ 3. Некоторые другие феноменологические исследования
Интересный подход к исследованию воздействия ЭМИ на слу-
ховую систему был впервые предложен и применен в 1980 г.
[178]. Суть его состоит в определении интенсивности метаболи-
ческих процессов в ядрах слухового пути по количеству утилизо-
ванной [,4C]2deoxy-D-glucose. У животных производилось одно-
стороннее разрушение системы косточек среднего уха. После
введения [MC]2-DG на авторадиограмме срезов внутреннего ко-
ленчатого тела и задних бугров четверохолмия отчетливо выяви-
лась асимметрия, причем большая оптическая плотность обнару-
живалась со стороны, лротивоположной здоровому уху. При им-
пульсном же микроволновом воздействии 2450 МГц частоты несу-
щей и ППМИ = 12,5Вт*см“2 обнаруживалась полная симметрия
распределения по обеим ветвям слухового пути. Этот результат
говорит о том, что среднее ухо не участвует в возбуждении
отклика слуховой системы на микроволновый стимул. При им-
пульсном облучении животных с односторонней разрушенной
улиткой, обнаруживалась асимметрия, характерная для необлу-
ченных животных с разрушенным средним ухом, что говорит
о необходимости участия улитковых механизмов в восприятии
радиозвука.
Описанный метод был применен для определения спектрально-
го состава возбуждаемого импульсом ЭМИ отклика в слуховой
системе животных [179]. Регистрировалась метаболическая ак-
тивность в центральном ядре задних бугров четверохолмия на
4 различных стимулах: импульс ЭМИ с частотой несущей
2450 МГц и длительностью 10 мкс, акустический импульс длитель-
ностью 10 мкс, акустические тональные стимулы с частотами 3
и 30 кГц. Акустические сигналы имели интенсивность 50 и 85 дБ
над стандартным порогом. В результате было показано, что при
воздействии микроволновым импульсом распределение оптичес-
кой плотности в авторадиограмме слухового ядра может быть
интерпретировано как свидетельство широкой полосы частот воз-
буждаемого ЭМИ акустического стимула (по-видимому, от 0 и, по
крайней мере, до 30 кГц). Таким образом, вывод о широком
частотном диапазоне возбуждаемого ИМ ЭМП звукового стиму-
ла, сделанный по результатам регистрации импульсной активнос-
ти одиночных волокон слухового нерва [163, 180, 181], был под-
твержден другим методом.
26
В 1979 г. была предпринята попытка зарегистрировать механи-
ческие колебания на поверхности головы, на кости черепа и на
открытом мозге крыс и морских свинок во время облучения их
ИМ ЭМП [105, 106]. Облучение животных велось на частоте
несущей в диапазоне 1,1 —1,275 ГГц с частотой следования им-
пульсов 25—100 Гц, длительностью импульсов 104-25 мкс и
ППМИ = 12504-8500 мВт-см-2. Для регистрации предполагав-
шихся колебаний использовался метод лазерной интерференцион-
ной голографии, чувствительность которого составляла 6* 10” м.
Ни в одном из опытов механических колебаний зарегистрировано
не было. На этом основании авторы подвергли сомнению досто-
верность экспериментального материала по регистрации микро-
фонных потенциалов [78, 83]. Однако позже было показано [87],
что механические колебания и не могли быть зарегистрированы
в силу того, что чувствительность метода была по крайней мере на
3 порядка меньше, чем необходимо по теоретическим оценкам.
Р.Олсену и Дж.Лину удалось зарегистрировать механические
колебания внутри черепа животных (кошек, морских свинок и
крыс) при облучении их импульсами ЭМИ частоты несущей 2450
и 5655 МГц. Колебания регистрировались миниатюрным гидрофо-
ном, имплантируемым в мозг животного. Основная частота коле-
баний так же зависела от размеров черепа животных, как и МПУ
в работах [78, 83]. Эксперименты проводились при очень высоких
импульсных мощностях —3 кВт для 2450 МГц при длительностях
импульсов 2,5 и 5,5 мкс и 200 кВт для 5655 МГц при длительности
импульсов 0,5 мкс.
Следует упомянуть еще одну работу, которая непосредственно
с радиозвуком не связана, но была выполнена с целью обнаруже-
ния его аналогии с реакцией на воздействие импульсного ультра-
звука [96]. В частности, регистрировались МПУ в круглом окне
улитки кошек в ответ на ультразвуковые (5 МГц) импульсы
длительности 104-70 мкс и интенсивности 30Вт*см”2. Оказа-
лось, что МПУ возникают как обычно, предшествуя отклику Ni
в слуховом нерве, однако частоты их существенно ниже той,
которая была зарегистрирована для импульсов ЭМИ [78, 83].
Они равнялись 5,5; 7,1; 10,2; 17,3 кГц у разных животных, в то
время как в работах Ч.Чу и А.Гая частота МПУ у кошек была
около 38 кГц. Интересно, что появление наряду с обычным
(50 кГц) МПУ более низкой частоты (10 кГц), было описано
в работе [79] как отклик слуховой системы морских свинок на
мощный (до 354 мДж*см”2) лазерный импульс. В рассматривае-
мой же работе полоса пропускания применявшегося усилителя
была 0,01 4-30 кГц и вполне естественно, что с помощью этого
прибора удалось зарегистрировать только низкочастотную компо-
ненту МПУ, которая, по мнению авторов, может являться следст-
вием резонансных колебаний костей черепа. Представленный ма-
териал опубликован в [63].
27
ГЛАВА II. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О
ФЕНОМЕНЕ РАДИОЗВУКА
В ранних работах по исследованию эффекта радиозвука прог-
лядывается направленность на физиологическую трактовку этого
явления, связанного с особенностями либо слуховой системы,
либо с непосредственным влиянием ЭМП СВЧ на структуры
мозга.
Из предлагавшихся возможных механизмов радиозвука наибо-
лее авторитетной до сих пор является так называемая термоэлас-
тическая гипотеза, предложенная К.Фостером и Е.Финчем {95]
и развитая Дж.Лином [21, 95, 137—143]. Опирается эта концеп-
ция на теоретические и экспериментальные работы по генерации
импульсами ЭМИ механических напряжений и смещений в погло-
щающих средах (73, 95, НО, 111, 113, 162, 164, 174] и на работы
по регистрации МПУ у различных животных при облучении их
ИМ ЭМП [78, 79, 81, 83, 150]. Рассматривая три возможных
причины, могущих вызвать вибрации черепа и привести к появле-
нию МПУ, Дж.Лин вслед за авторами работы [73] приходит
к выводу, что наиболее вероятной из них является термоупругое
расширение тканей мозга вследствие поглощения энергии ЭМП,
поскольку оно может генерировать механические напряжения, не
менее чем на три порядка превышающие таковые от давления
излучения и более чем на два порядка порожденные электро-
стрикцией.
В модели, предложенной Дж.Лином, предполагалось, что голо-
ва имеет сферическую форму и содержит только мозговое вещест-
во. Картина распределения поглощенной электромагнитной энер-
гии аппроксимировалась сферически-симметричной функцией с
максимумом в центре головы IF = IFO , где Wo— пиковый
уровень поглощенной энергии на единицу объема, г — радиаль-
ная переменная, а — радиус головы [141]. Используя принцип
Дюамеля, автор находит решение уравнения движения для такой
системы в виде линейной комбинации гармонических сферически-
симметричных функций с бесконечным набором кратных частот.
Основная частота полагалась равной с/2а — для свободной и
1,43 с/2а — для закрепленной поверхности, где с — скорость зву-
28
ка в ткани мозга (1460 м*с-1). Отсюда следует, что основная
частота резонанса для головы морской свинки (а = 0,5—2 см)
должна быть в пределах 40—70 кГц, а для кошки (а = 2,5—
3,5 см)—от 30 до 40 кГц, что удовлетворительно согласуется
с частотами МПУ, зарегистрированными у этих животных: 50
и 38 кГц, соответственно [78, 79, 81, 83]. Резонансную частоту
головы человека авторы оценивают величиной примерно 8 кГц
[137, 140].
Анализируя результаты количественного расчета, авторы при-
ходят к чрезвычайно важному выводу, который состоит в том, что
при поглощений энергии одиночного прямоугольного импульса
ЭМИ сферой, заполненной материалом с электрическими и меха-
ническими свойствами, характерными для вещества мозга, долж-
на генерироваться упругая волна, величины давления и смещения
в которой достаточны для регистрации рецепторами органа слуха
посредством костной проводимости. Все расчеты производились
для длительности импульса, равной 10 мкс, и УПМ, равной
1 Вт*см-3, при которой нагрев от одного импульса составляет
2,6*10~6оС, а уровень генерируемого давления—70—90 дБ над
АПС. Такое давление на 10—30 дБ превышает пороговое для
костной проводимости [142—145], а по другим данным [146,
147] даже на 30—50 дБ. Расчетные величины смещений так-
же имеют порядок экспериментально зарегистрированных —
10_,°—10~,! см [148, 149]. То, что термоэластика может приво-
дить к давлениям и смещениям внутри черепа, достаточным для
регистрации их органом слуха — единственный, но чрезвычайно
важный позитивный вывод, который можно сделать из теории
Дж.Лина. Весь остальной материал, касающийся частоты воз-
бужденных колебаний или характера зависимости амплитуды ко-
лебаний от длительности импульса, не только не согласуется
с данными экспериментов, но и внутренне противоречив. К приме-
ру, утверждение, что воспринимаемый звук монотонален, а часто-
та его определяется исключительно радиусом и акустическими
свойствами сферического мозга, не соответствует действительнос-
ти, поскольку во многих работах отмечается существенная зави-
симость качества воспринимаемого звука от частоты следования
импульсов [70, 90, 102, 103], а в работе [170] даже приводятся
экспериментальные данные на этот счет. Утверждение о моното-
нальности вступает в противоречие как с психофизическими [55,
97, 170], так и с электрофизиологическими [163, 180, 181] и
биохимическими [57] экспериментами по определению спектраль-
ного состава возбуждающегося радиозвука. Автор не объясняет
также и от чего зависит параметр N, почему для расчетов исполь-
зуется N = 6, хотя это приводит к путанице с частотами.
Таким образом, можно утверждать, что модель Дж.Лина выд-
винула на первое место, в ряду наиболее вероятных механизмов
радиозвука, термоэластическую концепцию, однако, в силу своей
29
ограниченности, не смогла объяснить многих известных фактов по
спектральному составу и «качеству» воспринимаемого звукового
ощущения, зависимости его от частоты следования импульсов
ЭМИ и их длительности. Причина ограниченности,данной модели
заключается по крайней мере в двух существенных упрощениях
реальной ситуации. Для расчетов использовался идеализирован-
ный контур с неопределенной добротностью, а в качестве внешне-
го воздействующего фактора рассматривался одиночный импульс,
а не импульсная последовательность некоторой частоты. При
такой постановке задачи ни о каких частотных характеристиках
модели не могло быть речи, не говоря уж о некоторых специфи-
ческих особенностях радиозвука. Более того, в работе [170]
показано, что в натурном эксперименте при значении частоты
следования импульсов СВЧ, близкой к указанному Дж.Лином
диапазону резонансной частоты головы человека (74-10 кГц),
наблюдается резкое повышение порога. Между тем из однокон-
турной резонансной модели должно было бы следовать резкое
понижение порога, как это следует из работы [143].
Важно отметить, что рассмотрение резонатора с конечной доб-
ротностью, а также временных параметров модуляции с необходи-
мостью привело бы к снижению расчетных пороговых уровней
интенсивности для некоторых комбинаций частот и длительностей.
Как удачную в целом попытку развития термоэластической
модели Дж.Лина следует рассматривать работу [58], в которой
авторы приводят результаты расчета вынужденных колебаний
резонатора конечной добротности, возбуждаемого последователь-
ностью импульсов некоторой частоты повторения. Судя по опуб-
ликованным принципам анализа и приведенным расчетным кри-
вым порогов восприятия, выводы из этой работы могли бы быть
более позитивными, нежели те, что даются авторами, отрицающи-
ми возможность объяснения эффекта радиозвука с позиций тер-
моэластики.
Существует еще одна гипотеза о возможном механизме радио-
звука, основанная на термоэластике. Отличие ее от обсуждавшей-
ся состоит в предположении, что преобразование электромагнит-
ной энергии в механическую, существенное для слухового воспри-
ятия, происходит непосредственно в улитке органа слуха. Впер-
вые эта идея была высказана А.Фраем [105], а позже была
использована для объяснения зарегистрированных на животных
спектральных характеристик вызванного слухового отклика [163
178, 179, 181]. Спектр отклика был идентичен спектру прямо-
угольного импульса той же длительности, что и импульс СВЧ.
Поскольку преобразование энергии ЭМП в механическую где-то
в тканях головы и передача последней посредством костной про-
водимости к органу слуха связаны, по мнению авторов, с искаже-
нием первоначального сигнала, то и возникло предположение
о преобразовании непосредственно в жидкостях улитки, что долж-
но обеспечивать минимум отклонения сигнала от первичного при
30
трансляции на кортиев орган. Такой подход, однако, не в состоя-
нии объяснить ряд экспериментальных фактов. На степень прояв-
ления эффекта должно влиять положение испытуемых относи-
тельно излучателя, поскольку будет существенным фактор экра-
нирования структур улитки. В экспериментах отмечается отсутст-
вие такого влияния [83, 97—99, 103]. Кроме того, исходя из этой
концепции, трудно объяснить частотно-зависимый характер эф-
фекта, показанный в работах [55, 170]. Равенство спектральных
компонент должно было бы приводить к восприятию радиозвука
низкой частоты при полной маскировке высоких частот [56, 59,
65, 152], тогда как происходит обратное [67, 97, 170].
Эти же авторы, поддержав идею о возможном существовании
двух или более механизмов «преобразования» энергии ЭМП в
слуховое ощущение, высказанную в работах [126, 127], для
объяснения появления аномально коротких латентных периодов
откликов на СВЧ-импульс в одиночных элементах слухового нер-
ва [178] предположили возможность прямого действия ЭМП на
волосковые клетки кортиева органа. В качестве механизма такого
действия было предложено рассматривать генерацию максвел-
ловских натяжений между тенториальной мембраной и ретикуляр-
ной пластиной [180, 181]. К этим работам примыкает статья
[107], в которой также делается предположение о •возможности
прямого действия ЭМП на волосковые клетки кортиева органа.
По этим гипотезам можно привести несколько возражений, одна-
ко уже то обстоятельство, что радиозвук не появляется в ответ
на немодулированный сигнал, избавляет нас от необходимости
прибегать к каким-то другим рассуждениям.
Выдвигалась, но не получила развитие гипотеза о параметри-
ческой синхронизации спонтанно-активных нейронных структур,
также предполагавшая непосредственное действие ЭМП на неко-
торые не названные авторами нервные образования [54, 58, 126,
127], в основу которой положены четыре известных из литературы
экспериментальных факта:
1. Информация о частоте передается группой нервных волокон,
дающих разряд в одну фазу звуковой волны (принцип залпов) [5,
173].
2. Быстрое изменение проводимости при действии импульса
ЭМП на модельные мембраны [171].
3. Наличие в кардиоцикле определенной фазы «уязвимая зо-
на», наиболее чувствительной к внешнему воздействию [18].
4. Спонтанная генерация импульсов в периферической части
слуховой системы, обнаруженная при регистрации активности
нейронов слухового нерва [159].
Исходя из этих положений, была построена математическая
модель нейронного ансамбля, состоящего из большого количества
(до 40 тыс.) одинаковых квазипериодических спонтанно-активных
элементов, не взаимодействующих между собой. Было показано,
что в отсутствие внешнего воздействия суммарная активность
31
Рис. 13. Диаграмма счетного процесса для одиночного спонтанно-активного
нейрона
Рис. 14. Диаграмма счетного процесса, отреагировавшего на внешнее импуль-
сное воздействие нейрона
такого нейронного ансамбля имеет равномерное распределение по
временным интервалам, т.е. система является полностью десин-
хронизованной. Чтобы изучить поведение такой модельной систе-
мы при условии внешнего воздействия, строилась модель для
расчета на ЭВМ. Основой ее была модель одиночного спонтанно-
активного нейрона, в которую были заложены основные характе-
ристики и свойства прототипа, включая гистограмму распределе-
ния межспайковых интервалов.
На рис. 13 приведена диаграмма, иллюстрирующая счетный
процесс для одиночного спонтанно-активного нейрона. Время в
модели соответствует порядковому номеру итерационного шага.
В каждом цикле возбуждения потенциал {7, в зависимости от
величины случайного числа у, получает заданное единичное при-
ращение AU (при у>0,5), или экспоненциально устремляется к
Uо (при у<0,5) (потенциал покоя). В модели применялись
случайные числа, равномерно распределенные на отрезке (0,1).
Фаза относительной рефрактерности моделировалась криволиней-
ным порогом. Время абсолютной рефрактерности полностью опре-
делялось свойствами последовательности случайных чисел. Мо-
мент генерации спайка определяется из условия

ДZ7i при у> 0,5
= —Д£/2 при у<0,5.
Моделирование ответа нейрона на внешний стимул производи-
лось следующим образом. Если в момент подачи внешнего воздей-
ствия нейрон находится в состоянии со значением порога
32
♦
Рис. 15. Форма кривой отклика модели параметрической синхронизации
нейронных структур
то скорость снижения порога уменьшается на некоторую задан-
ную величину, а затем экспоненциально входит в норму в течение
некоторого времени tp. Диаграмма, иллюстрирующая счетный
процесс для нейрона, отреагировавшего на внешнее импульсное
воздействие, приведена на рис. 14. Очевидно, что уменьшение
скорости снижения порога в ответ на внешнее воздействие, лопав-
шее в «уязвимую зону*, приведет к отдалению момента генерации
спайка. Для системы из достаточно большого количества таких
элементов с необходимостью возникает перераспределение сум-
марной активности по времени и возникновение волны отклика
(рис. 15). Внешняя схожесть отклика модельной системы и откли-
ка на одиночный стимул, зарегистрированного в слуховом нерве
кошки~ [143], позволила авторам сделать вывод о реальности
существования такого механизма.
Вместе с тем при рассмотрении предложенной гипотезы об
импульсной параметрической синхронизации спонтанно-активных
нейронных структур при действии импульсного ЭМП возникает
целый ряд вопросов. Так, положение второе имеет место лишь на
модельной липидной мембране, модифицированной антибиотика-
ми [171]. Сравнение кривых, рассчитанных на ЭВМ, с экспери-
ментальными не является доказательством прямого воздействия
ЭМП СВЧ на нейронные структуры, так как аналогичные кривые
были получены также путем механического воздействия на слухо-
вой аппарат через воздух (от электродинамического излучателя)
и путем костной проводимости (пьезокерамический излучатель,
укрепленный на черепе [ИЗ]). Кроме того, в литературе отсутст-
вуют какие-либо экспериментальные данные по возбуждению
нервного волокна непосредственным действием СВЧ излучения
в указанном диапазоне мощностей.
33
В работе [41] экспериментально показано, что при постоянном
попадании импульсов СВЧ в «уязвимую зону* каждого следую-
щего кардиоцикла сердца лягушки величина кардиоцикла скачко-
образно увеличивается, что в конечном итоге приводит к блокаде
проведения возбуждения. В описываемой в [61] математической
модели это должно было бы привести к существенному перерас-
пределению спонтанной активности нейронного пучка после каж-
дого акта воздействия, т.е. с каждым следующим импульсом
характер отклика в целом должен был бы меняться, что в реаль-
ном эксперименте выразилось бы в изменении высоты тона и
громкости воспринимаемого радиозвука. Наконец, при некотором
значении частоты воздействия ощущение радиозвука должно бы-
ло бы исчезнуть. Однако подобных изменений в натурных экспе-
риментах зарегистрировано не было.
Гипотеза о параметрической синхронизации потребовалась для
объяснения некоторых особенностей радиозвука, отмеченных в
работах [55, 170], в том числе «двух типов* радиозвука, один из
которых можно объяснить термоэластикой, а другой нельзя, по-
давления низкочастотного радиозвука высокочастотным, «захва-
та*. Следует отметить, что некоторые из этих особенностей можно
объяснить исходя из представлений традиционной психоакустики.
Известно, например, что невозможно добиться маскировки низко-
частотного звука высокочастотным даже при разнице в интенсив-
ностях большей чем 20 дБ, тогда как обратного эффекта добиться
гораздо проще [56, 59, 152]. Поэтому отсутствие биений акусти-
ческого сигнала с радиозвуком на частотах ниже 8 кГц говорит
лишь о подпороговой интенсивности последнего, по крайней мере,
при данном уровне окружающего шума.
Что же касается описанного «захвата частоты», то этот эффект
объясняется известным в психоакустике феноменом, проявляю-
щим» себя в существовании так называемого «интервала неопреде-
ленности* в аудиограммах, снятых аудиометром Бекеши или по-
добным методом [9, 56, 182—185]. Этот интервал численно равен
разности в значениях порогов, определяемых по возникновению
ощущения звука при возрастании интенсивности сигнала от под-
пороговой и по исчезновению ощущения при снижении интенсив-
ности от надпороговой. Обычно интервал неопределенности имеет
величину порядка 104-13 дБ [108]. Поэтому в описываемых экс-
периментах с «захватом* нет ничего необычного, тем более что
все манипуляции проводились при интенсивностях ЭМИ, близких
к пороговым. Этот эффект скорее может рассматриваться как
дополнительное косвенное подтверждение термоэластической при-
роды радиозвука.
Из приведенного обзора литературы можно сделать несколько
обобщающих выводов, существенных для настоящей работы:
1. Не вызывает сомнения наличие эффекта как объективно
существующего и имеющего место при ППМИ, начиная с несколь-
ких десятков мВт»см“2.
34
2. Качество воспринимаемого радиозвука связано с особеннос-
тями слуховой системы воспринимающего.
3. Очевидна связь качества воспринимаемого радиозвука с
параметрами импульсной последовательности.
4. Субъективная громкость радиозвука зависит:
а) от интенсивности окружающего шума; б) от частоты несу-
щей; в) от ППЭ при длительностях импульсов до 30 мкс; г) от
частоты следования импульсов при их постоянной длительности и
ППМИ; д) от длительности импульсов при постоянной частоте
следования и ППМИ.
5. Первичным элементом, где регистрируются отклики на ИМ
ЭМИ и при разрушении которого отклики не регистрируются
нигде в других отделах слуховой системы, является улитка органа
слуха.
6. По своим характерным признакам отклики на импульсное
ЭМИ не отличаются от таковых для импульсного акустического
воздействия.
7. Наличие МПУ в ответ на импульсное ЭМИ указывает на
преобразование электромагнитной энергии в механическую как
первичный акт взаимодействия ЭМИ с анатомическими структу-
рами головы.
8. Корреляция частоты МПУ с геометрическими размерами
головы позволяет рассматривать голову в процессе преобразова-
ния энергии ЭМП в механическую как акустический резонатор.
9. Одноконтурная теоретическая модель Дж.Лина продемонст-
рировала энергетическую возможность возбуждения рецепторных
структур улитки органа слуха.. механическими колебаниями при
термоэластическом преобразовании энергии ЭМИ, но не смогла
объяснить экспериментальных данных по спектральному составу
радиозвука.
10. Попытки объяснить эффект радиозвука прямым воздействи-
ем ЭМИ на нейронные структуры лишены экспериментального
подтверждения.
Таким образом, наряду с обилием феноменологического мате-
риала по исследованию радиозвука не существует достаточно
полного и непротиворечивого объяснения преобразования энергии
ИМ ЭМИ в слуховое ощущение со всеми его особенностями,
конкретными проявлениями и закономерностями. Термоэластичес-
кая модель может быть лишь отправной точкой для дальнейших
исследований, поскольку в ней показана необходимость преобра-
зования электромагнитной энергии в акустическую и достаточная
интенсивность последней для -восприятия органом слуха через
костную проводимость. Все другие гипотезы умозрительны, слабо
аргументированы и противоречивы.
35
ГЛАВА III. МЕТОД ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЭФФЕКТА РАДИОЗВУКА
§ 1. Общие положения и предпосылки выбора моделей
Анализ литературы показывает, что в исследованиях эффекта
радиозвука преобладают эмпирические методы. Это привело к
тому, что располагая довольно большим объемом всякого рода
конкретных экспериментальных фактов, характеризующих изуча-
емое явление, мы не имеем целостной картины его механизма.
Кроме того, результаты психофизических исследований, связан-
ных с изучением характеристик возникающего слухового образа
при облучении головы человека импульсами ЭМИ, всегда зависят
от субъективной оценки конкретного индивидуума. Учитывая то
обстоятельство, что, как правило, в натурных экспериментах
участвует ограниченное число испытуемых, ожидать от них точ-
ных количественных данных, стабильной повторяемости в услови-
ях различных лабораторий, практически невозможно. Немало-
важно также и то, что натурный эксперимент при необходимых
для проявления эффекта уровнях мощности ЭМИ нельзя прово-
дить продолжительно, поскольку это небезразлично для здоровья
испытуемых и, следовательно, систематическое изучение характе-
ристик радиозвука таким путем небезопасно. По-видимому, для
построения целостной концепции механизма радиозвука нужны
исследования другого характера, которые позволяли бы сделать
известные обобщения на основе накопления материала.
В условиях, когда в рамках натурного эксперимента изучение
механизмов, формирующих эффект радиозвука, практически не-
возможно или крайне трудоемко, единственно приемлемым нап-
равлением более глубоких исследований этого явления представ-
ляется использование метода моделирования, так как.непосредст-
венное изучение самих механизмов, участвующих в формирова-
нии радиозвука, невозможно, или крайне трудоемко. Исследова-
ние эффекта радиозвука методом моделирования дает возмож-
ность в широких пределах анализировать те или иные эксперимен-
тальные данные для понимания всего механизма этого явления
36
в целом. Существенно также, что в модельных исследованиях
отсутствуют ограничения, связанные с выполнением требований
безопасности испытуемых, что позволяет свободно варьировать
параметрами в рамках, ограниченных только свойствами самой
модели.
Вместе с тем, несмотря на достоинства модельного метода
исследований, позволяющего целенаправленно выделять из мно-
жества фактов наиболее существенные для той проблемы, ради
решения которой строится модель, исходный набор данных, фор-
мулирующих требования к модели, неизбежно субъективен.
Постулируя общий алгоритм выполнения натурой определен-
ных функций, можно в принципе определить, каким набором
свойств должен обладать предполагаемый механизм явления.
Причем, чем сложнее исследуемый эффект, тем менее определен-
ной становится задача членения его на обособленные механизмы
и тем более неопределенными становятся требования к характе-
ристикам моделей этих механизмов. Возникает вопрос: какую из
моделей — физическую или математическую,— наиболее целесо-
образно привлекать в каждом конкретном случае для моделиро-
вания исследуемого механизма?
Первый шаг в моделировании эффекта радиозвука был сделан
в работах Дж.Лина [21, 137—143]. Предложенная и развитая
автором математическая модель существенно продвинула наше
понимание механизма исследуемого явления, однако, как отмеча-
лось выше, оказалась не в состоянии объяснить некоторые су-
щественные его особенности. Причиной этому был неполный учет
автором при построении модели экспериментальных данных и
неправомерное упрощение реальной картины явления. Однако
важно отметить, что более полное соответствие модели прототипу
неизбежно привело бы к значительному усложнению математи-
ческих уравнений и, соответственно, методов их решения, либо
к невозможности их решения без формального наложения на них
определенных условий, неадекватных натуре. Вне зависимости от
степени адекватности математической модели натуре, в конце
концов, потребовался бы эксперимент, подтверждающий эту мо-
дель. Однако чисто математический метод моделирования не
учитывает его физической осуществимости. Подобная картина
наглядно проиллюстрирована в работе [28], посвященной изуче-
нию механизмов улитки органа слуха методом электрических
моделей. Математические модели улитки органа слуха строились,
как правило, с целью познания процессов частотного анализа
сигналов в слуховой системе. По мере развития методов вычисли-
тельной техники сложность уравнений, с помощью которых авто-
ры представляли колебательные процессы в улитке, существенно
возрастала. В работах, посвященных математическим моделям
гидродинамической системы улитки, последняя рассматривалась
как многомерная колебательная структура, описываемая линей-
ным, а иногда и нелинейным дифференциальным уравнением
37
высокого порядка в частных
производных с переменными
производными [28]. Это поло-
жение в конечном итоге застави-
ло исследователей в этой облас-
ти перейти к физически осущест-
вимым моделям. В математичес-
ких моделях, используемых для
решения биофизических задач,
не всегда удается ввести в виде
Рис. 16. Излученные акустические соответствующих коэффициен-
колебания (заимствовано из (33]) тов или границ применимости
условия, характеризующие сос-
тояние биологической системы. Это может привести к привнесе-
нию дополнительного фактора неопределенности при ее изучении.
Физическое моделирование в данном случае представляется более
целесообразным. В известном смысле это более доступный метод
моделирования, чем математический, не требующий детальной
проработки отдельных составляющих каждого из промежуточных
механизмов всего явления в целом. Фактически достаточно зна-
ний о передаточной функции каждого из таких механизмов, чтобы
можно было бы построить физическую модель, подобную натуре.
При этом функциональное состояние биологических структур,
являющихся звеньями целого механизма, оказывается автомати-
чески учтенным. Возможность реализации отдельных механизмов
в виде функциональных физических блоков также решается не-
посредственно в ходе выбора конкретной физической модели;
естественно, при наличии принципиальной возможности создания
физического аналога.
Интересно отметить, что метод физического моделирования
широко используется в исследовании биоакустики дельфинов.
Одной из главных проблем этого направления исследований явля-
ется гидролокация дельфинов. Одну из гипотез, касающихся из-
лучения звука дельфинами, предложил Лилли [135], который
считал, что эхолокационные щелчки вызываются «ударным воз-
буждением резонансных частот и гармоник в наполненных возду-
хом полостях головы» [33]. И хотя гипотеза Лилли оспаривается,
а само направление преследует иные цели, чем изучение радио-
звука, тем не менее некоторые методические вопросы с успехом
могут быть заимствованы для исследования эффекта радиозвука
методом физического моделирования. Особый интерес в этом
плане представляет для нас модельный эксперимент по ударному
возбуждению акустических колебаний в сферических объемах. На
рис. 16 приводится фотография излученных механических колеба-
ний, зарегистрированных в небольшом (200X50X50 см3) аквари-
уме с водой при скачке давления внутри резиновой сферы диамет-
ром 3 см. При излучении подчеркиваются две частоты: примерно
250 Гц и 4—6 кГц. Первая частота соответствует излучению ша-
38
рика как резонансной системы с сосредоточенными параметрами,
вторая — колебаниям воздуха внутри шарика как в жесткой сфе-
ре [33]. Принципиальная возможность физического моделирова-
ния радиозвука опирается в первую очередь на эксперименталь-
ные данные по возбуждению механических колебаний в различ-
ных средах — электролитах, чистых жидкостях, металлах [11, 42,
95, 164]. История работ, посвященных изучению вопросов, свя-
занных с возбуждением механических колебаний в средах тепло-
выми импульсами, насчитывает почти сто лет. Однако первые
работы, посвященные серьезному анализу происходящих при этом
процессов, появились лишь спустя несколько десятилетий [13, 14].
В работе [174] экспериментально показано, что при облучении
поверхности жидкости импульсами электромагнитной энергии в
ней возбуждаются упругие волны, амплитуда которых зависит от
мощности импульса, количества поглощенной энергии и коррели-
рует с тепловыми и вязкоупругими свойствами жидкости. Приме-
нение кристалла из титаната бария позволило регистрировать
ударно-возбужденные механические колебания при облучении им-
пульсами длительностью 2 мкс при плотности потока мощности
ниже 2Вт-см”2. При этом нагрев объекта от одного импульса
составил 10-3 °C . Амплитуда сигнала, снимаемого с кристалла,
равнялась 60 мВ «кВт-1 - см2.
Спустя десять лет появилась работа [95], также посвященная
воздействию электромагнитного излучения СВЧ на жидкие среды
с целью возбуждения в них механических колебаний. В качестве
объекта использовался 0,15 М раствор КС1. Жидкость, находяща-
яся в контейнере (0,3X0,3X0,3 м3), облучалась сверху с по-
мощью открытого торца прямоугольного волновода с частотой
несущей 2450 МГц. Интенсивность излучения находилась в преде-
лах 5,ЗВт*см“2. В качестве приемника механических колебаний
авторы работы [95] использовали специальный гидрофон с высо-
кой чувствительностью. При длительности импульсов СВЧ, рав-
ной 27 мкс, амплитуда давления возбужденных механических коле-
баний в водном растворе КС1 при температуре +4°С, при кото-
рой коэффициент линейного теплового расширения воды равен
нулю, снижается до нуля. Отсюда был сделан вывод о прямой
зависимости процесса возбуждения механических колебаний при
импульсной СВЧ облучении жидкостей от их тепловых харак-
теристик.
Наряду с описанными работами появились публикации по
действию импульсного лазерного излучения на жидкость. В рабо-
те [24] описывается упрощенная термодинамическая модель воз-
действия скачка давления в жидкости. Показано, что эта модель
согласуется с экспериментальными данными в широком диапазо-
не скачков давления (соответственно, в широком диапазоне мощ-
ности в импульсе лазерного излучения) и при широком варьиро-
вании свойств жидкости.
39
Результаты работ по исследованию условий возбуждения меха-
нических колебаний в жидких средах создали предпосылки для
качественно нового подхода к изучению эффекта радиозвука
и выявлению его природы. Вместе с тем анализ этих работ
показал, что необходимо детально определить сами условия воз-
буждения механических колебаний, т.е. исследовать зависимость
параметров возбужденных механических колебаний, с одной сто-
роны, от параметров среды и ее геометрии, а с другой стороны —
от параметров воздействующего импульса СВЧ.
Выяснение механизма радиозвука, как нам представляется,
связано с определением амплитудно-частотных характеристик
возбужденных механических колебаний в ограниченных объемах.
Для этого необходимо решение следующих задач:
1. Выяснение зависимости параметров возбужденных механи-
ческих колебаний от параметров импульсов СВЧ.
2. Выяснение условий возбуждения различных мод механичес-
ких колебаний и возможности фокусировки энергии электромаг-
нитного поля в жидких сферических моделях.
3. Выяснение природы радиозвука в воспринимаемой полосе
частот.
Это позволит ответить на следующие вопросы:
1. Почему при облучении головы человека импульсами СВЧ
частота возбужденных колебаний (или слуховое ощущение) не
равна частоте следования импульсов?
2. Что является источником возбуждения механических колеба-
ний и зависит ли частота возбужденных механических колебаний
от параметров поглощающей электромагнитную энергию области,
являющейся частью общего объема тела?
3. Как объяснить резкое изменение порога восприятия радио-
звука на определенных частотах и существование нескольких
типов радиозвука?
В начале 80-х годов в Институте биологической физики АН
СССР начались систематические исследования условий возбужде-
ния механических колебаний в жидких и гелеобразных средах,
направленные на выяснение их биологической значимости при
действии импульсных полей СВЧ. В частности, предполагалось,
что развитие подобных работ должно привести и к выявлению
неясных пока сторон феномена радиозвука путем его моделирова-
ния. Были разработаны системы возбуждения и регистрации ме-
ханических колебаний в жидких средах. Эксперименты по облуче-
нию различных жидкостей показали, что возбуждение механичес-
ких колебаний возможно в сосудах практически любой формы
и размеров, заполненных поглощающей жидкостью. Таким обра-
зом, экспериментатор получает в руки простой и весьма эффек-
тивный способ имитации условий возбуждения механических ко-
лебаний в фантомах.
В этом направлении нам представляется наиболее перспектив-
ным продолжение работ по исследованию радиозвука, выяснение
40
возможностей его практического применения, а также механизма
биологического действия импульсных СВЧ полей.
§ 2. Генерация упругих волн при быстром нагреве
До некоторого времени задача о генерации акустических воз-
мущений в веществе в результате быстрого нагрева его поверх-
ности или выделенного локального объема представляла самосто-
ятельный интерес и рассматривалась без конкретизации источни-
ка тепла и соответственно с произвольными допущениями относи-
тельно характера распределения теплового поля. В случае же
возбуждения упругих волн, вызванного поглощением импульсной
энергии электромагнитного поля, необходимо учитывать особен-
ности взаимодействия последнего с веществом и свойства самого
вещества. Очевидно, что' решение задачи в общем виде из-за
многофакторности входящих параметров чрезвычайно сложно и
поэтому целесообразно ограничиться достаточно простым рас-
смотрением этой проблемы, приводимым в работе [110]. Более
глубокое рассмотрение заинтересованный читатель сможет найти
в литературе [13, 14, 111, 137].
При падении плоской электромагнитной волны нормально к
границе полубесконечной гомогенной поглощающей среды плот-
ность энергии на расстоянии X от поверхности будет определяться
известным соотношением
/ = /ое"аЛ,
где 1О— плотность энергии на поверхности среды, а — коэффици-
ент поглощения среды. Эта энергия преобразуется в тепловую
двумя возможными путями. Один из них заключается в возбужде-
нии колебаний свободных зарядов ионов, а другой — во враще-
нии дипольных молекул среды с частотой приложенного поля.
Первый из них ведет к выделению тепла вследствие наличия
электрического сопротивления среды, второй — вследствие ди-
электрических потерь, обусловленных вязкостью среды. Посколь-
ку вещество обладает конечной скоростью распространения взаи-
модействия (скорость звука С) и некоторой плотностью р, то при
достаточно быстром нагреве в нем возникает механическое нап-
ряжение
где U — компонента смещения элемента объема по оси X, 0 —
температурный коэффициент линейного расширения вещества
и Q(x,t)— скачок температуры, обусловленный поглощением ЭМ
энергии. Для нашей модели
ди = ди
ду dz ’
41
и следовательно
Е уу Е ZZ О*
В теории упругости известно соотношение, связывающее механи-
ческое напряжение и давление в упругой среде [32]:
охх=ВЕхх-В^,
где Врв — давление в среде при равномерном распределении
температуры, охх— избыточное давление, возникающее при быст-
ром нагреве границы, В = Х + 2ц — модуль упругости, лиц — ко-
эффициенты Ламе. По второму закону Ньютона уравнение движе-
ния некоторого объема среды плотности р имеет вид:
2Ц _ <^хх
dt2 дх
Rd2U
в~^
дх
а так как скорость звука С= то уравнение преобразуется
к виду:
д2и 1 д2и адв
дх2 С2 dt2
Решения подобного рода уравнений гиперболического типа
самым подробным образом рассмотрены в [52] для всевозмож-
ных граничных и начальных условий, поэтому здесь мы лишь
сошлемся на конечный результат и следствия, важные для вопро-
сов, рассматриваемых в данной книге. Однако предварительно
необходимо дать выражение правой части уравнения в явном1
виде. Для случая, который рассматривается здесь, подводимая
к среде энергия стационарна, поглощение в среде имеет экспонен-
циальный характер, а длительность импульса мала по сравнению
с постоянными времени теплопроводности и тепловой диффузии.
Полагая, что тепло распространяется только в положительном
направлении X, т.е. по направлению распространения ЭМИ,
Л.Гарней получил приближенную функцию распределения темпе-
ратуры в следующем виде:
Q(x,t) =al ote~aX/JpS
во время действия импульса и
6(x,t) =aIoTe~aX/JpS
после выключения импульса. Здесь J — механический эквивалент
тепла, равный 4,186 Дж/кал, S — теплоемкость среды. Таким
образом, уравнение движения упругой волны во время и после
действия нагревающего импульса будет иметь следующий вид:
д2и^ С2д2и k2 Wtet< Т
dt2 дх2 ~[C2WTe~aX,t>T,
42
где
UZ=pa2/o//pS.
Для случая отсутствия смещения в начальный момент времени
и наличия закрепленной границы выражение для максимального
давления, которое имеет место в момент времени
T==t —х/С = Т/2, имеет вид:
amax=(C^o/2JS) (1-е-сг/2)
и ограничено величиной C$IO/2JS при аСТ/2^>1. Для свободной
поверхности
a»,a<=(Cp/o/2JS) (1-е-“сг)
для текущего времени
т = 0 и т = Т.
Выражение для коэффициента преобразования падающей элек-
тромагнитной энергии в акустическую [ПО] дается в виде:
где
N~ Е, ~2р32/2
F(aCT„) =
-аСт _ -аСх
I— е — аСтне и
аСти
аСтие-°с,« +Зе~°с,«+2аСти - 3
аСтн
(а)
(б)
для жидкости со свободными границами (а), для жидкости с
закрепленными границами (б), Еа— энергия распространяющей-
ся упругой волны, Ее— энергия падающей электромагнитной
волны, /0—ППМН, Вт/см2, С — скорость звука в данной жидкос-
ти, р — коэффициент линейного теплового расширения, р — плот-
ность, S — теплоемкость жидкости, J — механический эквивалент
тепла, равный 4,19 Дж-кал-1,. a — коэффициент поглощения
ЭМП в среде, определяемый как а = 2ле"/Хд/ё7 [57], где е'
и е"— действительная и мнимая части диэлектрической постоян-
ной, X — длина волны ЭМИ в воздухе.
Все предыдущее изложение велось без учета того, что в момент
выключения импульса, в силу инерционности упругой среды, в
точке рассмотрения так же возникает упругая волна, противопо-
ложная по фазе той, которая образуется от переднего фронта
теплового импульса. Поэтому при изменении длительности им-
пульса должно иметь место как подавление возбужденных коле-
баний, так и их усиление за счет интерференции. Тот же эффект
будет иметь место при возбуждении механических колебаний
периодическими короткими импульсами. Для замкнутых объемов
дальнейшее исследование картины звукового поля в каждом
43
Таблица 4
Поглотитель С, м- с~’ 3, град 1 Р кг- м 3 S-L Дж/ кг- град а, м~*
Спирт этиловый 1,2- 103 3.7- 10-« 789 2,39- 103 166
Вода 1.48- 109 6,9- 10“* 1000 4,189- 103 100
конкретном случае должно вестись в соответствии с обычными
акустическими законами. Существенно важно, что все замкнутые
объемы являются резонаторами и, следовательно, при определен-
ном режиме модуляции ЭМП амплитуда механических колебаний
в них может на порядки, в соответствии с добротностью того или
иного резонатора, превышать амплитуду от одиночного импульса
произвольной длительности.
В качестве модельных объектов могут быть использованы лю-
бые полярные жидкости. В наших экспериментах использовались
водные растворы NaCl и этиловый спирт. Этиловый спирт на
частоте излучения 2375 МГц (длина волны 12,6 см) имеет при
20°С: е' = 5,5 и е" = 7,8 [3], одномолярный водный раствор
NaCl на близкой частоте ЗГГц (длина волны 10 см) имеет при
той же температуре: е' = 67,4 и е" = 13,1 [4]. Все справочные
данные, необходимые для расчета, приведены в табл. 4.
Полагая, для определенности /о = 104 Вт-см“2 и ти=25-10“6 с,
а границу свободной, получим: для спирта— #=0,35-1О“10
и для воды — JV = 0,52-10“ , т.е. преобразование электромагнит-
ной энергии в механическую в спирте почти на два порядка
эффективнее, чем в воде. В этой связи этиловый спирт широко
использовался в описываемых экспериментах с целью повышения
чувствительности методов преобразования энергии возбуждаемых
механических колебаний в электрический сигнал.
§ 3. Методы и приборы для возбуждения и регистрации механи-
ческих колебаний в жидких средах импульсами СВЧ
Поскольку натурный эксперимент по радиозвуку состоял в
облучении импульсами СВЧ головы человека, в первом приближе-
нии представляющей сферу, то можно считать выбор сферическо-
го объема жидкости для изучения условий возбуждения механи-
ческих колебаний наиболее целесообразным.
Принципиальная возможность постановки этих экспериментов
опирается на результаты работ [42, 44], в которых показано, что
механические колебания можно возбуждать импульсами СВЧ
в любой полярной жидкости и электролитах. С этой точки зрения,
выбор жидкости, заполняющей сферу, не принципиален, так как
полученные данные могут быть перенесены на другие среды с
известными значениями скорости звука и затухания.
Сферические объемы при возбуждении в них механических
44
Рис. 17. Облучение пробирки в закрытом прямоугольном волноводе сечением
31Х240мм2
колебаний обладают целым спектром частот [23]. В этой связи
для простоты оценки полученных результатов и выявления зави-
симости параметров возбуждаемых в жидкости механических ко-
лебаний от параметров импульсной последовательности СВЧ в
качестве простейшей модели выбрана пробирка с жидкостью,
помещаемая в зону действия импульсного ЭМИ. При этом стол-
бик жидкости, заполняющей пробирку, обладает свойствами чет-
вертьволнового резонатора с определенной добротностью.
Простота и наглядность такой системы, а также полная экви-
валентность с теоретической моделью Дж.Лина по основным
формальным признакам позволили нам рассматривать ее как
адекватную физическую модель для исследования эффекта ра-
диозвука.
Для регистрации возбужденных в жидкости механических
колебаний использованы пьезокерамические преобразователи с
чувствительностью 10-6 В-дин“1 -см2 в диапазоне частот
404-2-104 Гц и неравномерностью амплитудно-частотной харак-
теристики zb 5 дБ. Калибровка датчиков осуществлялась методом
пистонфона [33].
Выбор облучателя диктовался в первую очередь условием ми-
нимально возможного излучения энергии СВЧ в свободное прост-
ранство с целью снизить амплитуду наведенного паразитного
сигнала на входных цепях регистрирующей аппаратуры и безо-
пасностью при эксплуатации. Для облучения физических моделей
с малыми объемами жидкости применялся закрытый прямоуголь-
45
1
Рис. 18. Разрез конструкции автономного пьезоприемника: 1— пьезоэлектри-
ческий преобразователь, 2— основание (латунь), 3— прижимная пружина, 4—
изолирующая шайба (текстолит толщиной 0,15 + 0,2 мм), 5—корпус (латунь),
6— центрирующая шайба (текстолит), 7— съемная крышка (латунь), 8— шпенек
(латунь), 9—гибкий проводник, 10—кабель, 11—изолирующая прокладка
(текстолит толщиной 0,5 мм), 12—стакан, 13—экран кабеля, 14—трубка (по-
лихлорвинил)
ный волновод сечением 31 Х240 мм2 с плотностью потока мощнос-
ти в импульсе (ППМН) до 2 Вт «см-2 в диаметральной плоскости.
На рис. 17 представлена схема расположения пробирки в зак-
рытом прямоугольном волноводе и регистрации механических
колебаний возбуждаемых в жидкости с помощью пьезокерамичес-
кого преобразователя.
В качестве сферических резонаторов использованы колбы и
пластиковые мячи, заполняемые поглощающей жидкостью, в ка-
честве которой, как правило, применяли этанол с целью возбуж-
дения более интенсивных механических колебаний.
Для облучения больших объемов жидкости (до 3 л) применя-
лись облучатели в виде открытого торца прямоугольного волново-
да сечением 10X72 мм2 и прямоугольного рупора с апертурой
90x120 мм2, используемые на частоте 2375 МГц с ППМИ 140 и
20 Вт «см-2, соответственно. Источником колебаний СВЧ служи-
ли разработанные ранее импульсные генераторы СВЧ на базе
лабораторного генератора ГС-6 и медицинского аппарата для
46
Рис. 19. Облучение сферы прямоугольным волноводом с сечением 10x70мм2
микроволновой терапии «Луч-58-1» [43, 46, 47]. Максимальная
выходная мощность в импульсе на частоте 800 МГц составила
120 Вт, на частоте 2375 МГц—500 Вт.
Регистрация возбужденных в сферических стеклянных резона-
торах механических колебаний осуществляется с помощью вклю-
ченных в стенку колбы пьезокерамических преобразователей. Для
вклейки преобразователя на боковой поверхности колбы методом
шлифовки выполняется отверстие, по диаметру равное или чуть
меньше диаметра преобразователя Предварительно к обкладкам
преобразователя припаривают тонкие многожильные проводники.
Затем с помощью эпоксидного клея преобразователь монтируется
на стенке колбы. Для вывода внутреннего проводника на краю
отверстия в колбе с помощью алмазного надфиля выполняется
небольшой паз. Отводящий коаксиальный кабель крепится на
стенке колбы на эпоксидном клее по длине 15—20 мм. После
затвердевания клея гибкие проводники преобразователя подпаи-
ваются к кабелю так, чтобы экран кабеля был подпаян к внутрен-
ней обкладке преобразователя. Место пайки также покрывается
эпоксидным клеем.
Регистрация колебаний может вестись и с помощью автономно-
го пьезоприемника, на который непосредственно устанавливается
резонатор с жидкостью. На этот же приемник устанавливаются
и пластиковые сферические резонаторы. На рис. 18 приводится
разрез конструкции автономного пьезоприемника.
На рис. 19 и 20 показаны способы облучения сферических
47
Рис. 20. Облучение сферы прямоугольным рупором с сечением 90X120 мм2
моделей, на рис. 21 приводится блок-схема экспериментов по
возбуждению и регистрации механических колебаний.
Облучение сферических резонаторов больших размеров на час-
тоте несущей порядка 0,9 ГГц показало, что в результате дифрак-
ции на пьезокерамическом преобразователе наводится паразит-
ный сигнал СВЧ, практически делающий невозможным регистра-
цию механических колебаний. Для постановки эксперимента на
этих частотах ЭМИ был разработан метод возбуждения механи-
ческих колебаний в стеклянных сферических резонаторах с по-
мощью СВЧ-аппликатора диаметром 13—15 мм, опускаемого в
этанол через горло колбы.
Во всех случаях при облучении сферических резонаторов необ-
ходимо применять все меры, снижающие механическую вибрацию
резонатора внешними источниками. В наших экспериментах для
этой цели использовали листы из мягкой пористой резины, на
которой устанавливается штатив с автономным пьезокерамичес-
ким приемником или пластмассовое дно от лабораторного мерного
цилиндра большой емкости для установки сферического резо-
натора.
Как правило, генераторы СВЧ снабжены вентиляторами для
отбора выделяющего тепла, что служит дополнительным источни-
ком механических вибраций. Мерами по снижению амплитуды
вибраций при этом служат установки генератора на резиновые
амортизаторы и демпфирование ВЧ-кабеля также с помощью
пористой резины, которая навивается на ВЧ-кабель в виде полос.
48
Рис. 21. Блок-схема эксперимента
по возбуждению механических колеба-
ний в жидких сферических моделях:
1—СВЧ-генератор, 2—генератор
прямоугольных импульсов, 3— осцил-
лограф^— частотомер, 5—усилитель,
6— милливольтметр, 7— пьезопреобра-
зователь, 8— колба с жидкостью, 9—
облучатель, 10— вентиль, 11— нап-
равленный ответвитель
Рис. 22. Возбуждение механических колебаний импульсами ЭМИ в стеклян-
ном сферическом резонаторе с помощью СВЧ-аппликатора: 1— сферический
резонатор, 2— пьезокерамический датчик, 3— пластмассовое дно, 4— резиновая
прокладка, 5— усилитель, 6— осциллограф, 7— ваттметр, 8— генератор прямо-
угольных импульсов, 9— генератор СВЧ, 10— рамка
Желательно проведение экспериментов в экранированных поме-
щениях со звукоизоляцией. Комплекс этих мер позволяет рабо-
тать в условиях существенного снижения импульсной мощности
СВЧ (иногда до нескольких единиц ватт) и регистрировать сиг-
налы» снимаемые с обкладок пьезоэлектрического преобразовате-
ля порядка 10-5 —10~4 В.
На рис. 22 изображена схема эксперимента по возбуждению
механических колебаний в сферическом стеклянном резонаторе
с помощью аппликатора, работающего на частоте 915 МГц, с
49
Рис. 23. Артефакт возбужденных механических колебаний при подаче на вход
селективного усилителя короткого прямоугольного импульса от генератора Г5-54
(селективный микровольтметр В6-9)
Рис. 24. Артефакт возбуждаемых механических колебаний коротким наведен-
ным импульсом СВЧ при селективном усилении (селективный микровольтметр
В6-9)
регистрацией этих колебаний с помощью вклеенного пьезокерами-
ческого преобразователя.
Усиление сигналов, снимаемых с пьезокерамического преобра-
зователя в условиях действия ЭМИ, имеет свои особенности. Как
можно видеть из приводимых выше условий трансформации энер-
гии ЭМИ в акустическую, амплитуда снимаемого переменного
электрического сигнала с обкладок пьезокерамического преобра-
зователя по порядку величин может составлять 10'4 —10~2 В.
Как правило, усиление слабых сигналов на фоне шумов осу-
ществляют с помощью резонансных усилителей. В данном случае
это тем более могло бы быть оправданным ввиду достаточно
узкой полосы частот возбуждаемых механических колебаний при
экспериментах с ограниченным набором резонаторов. Однако
опыт работы с генераторами СВЧ показывает, что даже при
работе на закрытую нагрузку в условиях экранированных поме-
щений [43], в импульсном режиме излучения достаточно даже
ничтожно малого наведенного потенциала от ЭМИ на входных
цепях селективной усилительной аппаратуры, чтобы возбудить ее
на частотах, близких к регистрируемым. Это естественно, так как
при действии на входе селективного усилителя наведенного сигна-
ла ЭМИ импульсной формы последний детектируется и выделен-
ный уже видеоимпульс возбуждает цепи селекции усилителя, т.е.
имеет место возбуждение ударных колебаний. А поскольку иден-
тичная ситуация имеет место при поглощении энергии импульса
ЭМИ в жидкости цилиндрического или сферического резонатора,
то артефакт может быть легко принят за результат.
Для проверки возможности использования усилительной аппа-
ратуры, обладающей избирательными свойствами, в эксперименте
использовали селективный микровольтметр В6-9. В качестве ис-
точника прямоугольных импульсов использован генератор Г5-54.
50
Рис. 25. Артефакт биений частот связи
при селективном усилении наведенного им-
пульса СВЧ совместно с электрическим
сигналом, снимаемым с пьезокерамического
преобразователя (селективный усилитель
В6-9)
Предварительно на вход се-
лективного микровольтмет-
ра непосредственно с выхо-
да генератора Г5-54 пода-
вали прямоугольные им-
пульсы длительностью по-
рядка 5—25 мкс и частотой
следования порядка 100 Гц.
На рис. 23 показана одна из
осциллограмм выходного
сигнала селективного мик-
ровольтметра при его воз-
буждении прямоугольными
импульсами от генератора
Г5-54 в полосе перестройки
1—20 кГц. Затем включали
генератор СВЧ, нагружали
его на открытый излучатель
сечением 10X72 мм2 и в не-
посредственной близости от
него устанавливали сфери-
ческий резонатор с этанолом. При прежних параметрах импульс-
ной последовательности осуществляли режим импульсной моду-
ляции ЭМИ на частоте несущей 2375 МГц. Селективный микро-
вольтметр располагали в зоне с интенсивностью в пределах допус-
каемых уровней облучения — порядка 30—50 мкВт «см"2.
На рис. 24 приводится осциллограмма выходного сигнала се-
лективного микровольтметра при открытом входе прибора. Срав-
нение осциллограмм со всей очевидностью показывает возмож-
ность появления артефакта при применении селективной усили-
тельной аппаратуры даже в допустимых условиях работы.
Следующим этапом проверки возможности возникновения ар-
тефакта была регистрация выходного сигнала селективного мик-
ровольтметра при подведении к его входу сигнала с преобразова-
теля. Колебания возбуждали в пробирке с этанолом по схеме,
приведенной на рис. 17, с помощью ЭМИ на частоте 800 МГц.
Мощность в импульсе на входе в волновод —70—75 Вт. Измерен-
ная интенсивность ЭМИ в зоне расположения селективного мик-
ровольтметра— в пределах 10 мкВт • см“2. Частота возбуждае-
мых механических колебаний в этаноле и частота настройки
селективного микровольтметра несколько расстраивались друг
относительно друга с целью обеспечения возможности наблюде-
ния нулевых биений между сигналом, снимаемым с преобразова-
теля, и возбужденным в селективном микровольтметре за счет
наведенного на входных цепях ЭМИ и продетектированном в
приборе. На рис. 25 показана осциллограмма таких биений.
Полученные результаты позволяют продемонстрировать воз-
51
Рис. 26. Принципиальная схема широкополосного усилителя
Рис. 27. Конструкция усилителя (вид со снятой крышкой)
можность возникновения артефакта при экспериментировании да-
же со столь простыми системами и приборами в условиях дейст-
вия слабых ЭМИ.
Таким образом, можно прийти к выводу, что в данных условиях
экспериментирования исключение артефакта может быть достиг-
нуто расширением полосы усилителя. В этом случае для неиска-
52
Рис. 28. Биения частот связи: высота столбика жидкости —40 мм; высота
столбика воздуха —10 мм
Рис. 29. Биения частот связи: высота столбика жидкости —40 мм; высота
столбика воздуха —20 мм
женного усиления видеоимпульса, формируемого на входных це-
пях усилителя, ширина полосы пропускания усилителя определя-
ется известным соотношением /в = 1/ти, где ти— длительность
импульса. Применяемые значения ти в экспериментах по облуче-
нию каких-либо модельных или биологических систем ЭМИ в
дециметровом диапазоне практически ограничены снизу значени-
ем 10“6 с, т.е. величина должна быть порядка 1—3 МГц.
Входное сопротивление усилителя при работе с пьезокерамически-
ми преобразователями составляет ~ 105 Ом. Амплитуду выходно-
го сигнала усилителя можно задать в пределах 0,1 —1,0 В. Поэто-
му величина коэффициента усиления может быть определена
в пределах 5001000, что вполне достаточно для наблюдения
сигнала на экране осциллографа и проведения каких-либо из-
мерений.
Принципиальная схема разработанного усилителя с близкими
к описанным параметрами приводится на рис. 26.
Ввиду работы усилителя в условиях действия импульсного
СВЧ поля с целью повышения его помехозащищенности и сниже-
ния склонности к самовозбуждению монтаж усилителя выполнен
секционированным, корпус с крышкой имеют по всей линии разъе-
ма электрический контакт и выполнены из латуни.. Шина питания
проложена с помощью блок-емкостей, установленных на попереч-
ных экранах. Фотография монтажа усилителя со снятой крышкой
показана на рис. 27. Усилитель имеет три разъема типа СР-50,
с помощью которых соединяется с пьезокерамическим преобразо-
вателем и осциллографом. Чтобы не ставить специального перек-
лючателя при переходе от работы с малым сигналом к большому,
разъемы Г1, Г2, ГЗ (см. рис. 26) допускают работу со следующи-
ми значениями коэффициента усиления при различной переста-
новке кабелей:
Г^Гз, Ку =500
53
Штатив
Резиновая
прокладка
Сферический
резонатор
Пьезокерамический датчик
Г енератор
СВЧ
Генераторный
отсек
Засыпной фильтр
Генератор
прямоуголь-
ных импуль-
сов
Операторский
отсек
Рис 30. Схема расположения аппаратуры в экранированном помещении
54
Рис. 31. Биения возбуждаемых в пробирке механических колебаний импульса-
ми ЭМИ с акустическим сигналом
Г1—>Г2, Ку =37
Г2—Г3, Ку 13.
Стрелками обозначено направление сигнала от входа к выходу,
Ку— коэффициент усиления.
Проверка разработанного усилителя проводилась в тех же
условиях, что и селективного микровольтметра. При этом наблю-
дали биения в пробирке с неполным заполнением. Если высота
столбика жидкости и высота воздушного столбика подобраны так,
чтобы их частоты были близки или кратны, то при возбуждении
в такой системе механических колебаний можно получить биения.
Использовали пробирки одинакового диаметра с высотой 50
и 60 мм. Высота столбика жидкости в обоих случаях составляла
40 мм. Таким образом получали две системы резонаторов — жид-
костный с высотой 40 мм и воздушный с высотой 10 мм и жидкост-
ный с высотой 40 мм и воздушный с высотой 20 мм. Соответствен-
но, частота возбуждаемых в жидкости механических колебаний
в обоих случаях неизменна, а частота колебаний воздушного
резонатора должна меняться вдвое. Это обстоятельство должно
было бы проявиться при регистрации биений и свидетельствовать
об отсутствии артефакта.
На рис. 28 и 29 приводятся осциллограммы биений частот
связи для обеих систем. Для наглядности более короткого процес-
са биений осциллограмма на рис.28 получена при более высокой
скорости развертки луча осциллографа. Необходимо отметить,
что при регистрации биений в описанной системе резонаторов для
получения регистрируемой амплитуды сигнала биений преобразо-
ватель располагался внутри пробирки в воздушном резонаторе
ввиду слабого воздействия воздушного столбика на столбик жид-
кости. В качестве преобразователя использован биморфный крис-
талл [42].
55
Эксперименты с использованием физических моделей жела-
тельно проводить в экранированных помещениях со звукоизоля-
цией, особенно при работе с открытыми излучателями [43]. На
рис.30 показана схема расположения аппаратуры в таком по-
мещении.
На рис.31 для сравнения приводится осциллограмма биений
частот связи при облучении пробирки с этанолом по схеме на
рис. 17 при возбуждении резонансных колебаний и их регистра-
ции с помощью разработанного усилителя. Второй сигнал реали-
зован с помощью акустической электродинамической головки, ось
излучения которой направлена на пробирку. Смесителем при этом
служит пьезокерамический преобразователь. Таким образом,
можно считать, что применение широкополосного усилителя и
работа в экранированном помещении обеспечивают корректную
постановку экспериментов.
ГЛАВА IV. ВОЗБУЖДЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
В ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЕМАХ ИМПУЛЬСНЫМ ЭМИ
§ 1. Одноконтурные резонансные модели
В соответствии с концепцией Дж.Лина, согласно которой голо-
ва человека при возбуждении механических колебании в тканях
рассматривается как акустический резонатор с частотой резонан-
са, определяемой скоростью звука в тканях черепа и радиусом
головы (одноконтурная модель), в качестве облучаемых объемов
жидкостей в экспериментах использованы одноконтурные систе-
мы.
1.1. Цилиндрическая модель
В качестве резонатора использовалась пробирка с раствором
NaCI [44], представляющая собой четвертьволновой резонатор
ввиду наличия свободной поверхности жидкости и закрепленного
дна пробирки. Высота столбика жидкости в пробирке варьирова-
лась от 30 до 50 мм.
Таблица 5
Высота стол- бика жидкос- ти, мм Период механи- ческих колеба- ний, мкс Частота механи- ческих колеба- ний, кГц Длина волны, мм Рассчитанное среднее значение скорости звука в воде, см- с-1
30 804-100 12-г-Ю 120 1,44- 105
40 1004-120 104-8 160 1,45- 10s
50 1404-160 74-6 200 1,42- 105
Для всех трех столбиков жидкости (30, 40 и 50 мм) на экране
осциллографа зарегистрированы механические колебания. С по-
мощью мерок на экране осциллографа были определены периоды
механических колебаний (табл.5). Пользуясь соотношением
[1], где L — высота столбика жидкости, X — длина волны
и C = Xf, можно получить приближенные значения скорости звука
57
Рис 32. Возбуждение в этаноле механических колебаний импульсами СВЧ
с длительностью импульсов, меньшей полупериода колебаний
Рис. 33. Осциллограмма механических колебаний, возбужденных в этаноле
широким импульсом СВЧ Видны колебания, возбужденные в моменты действия
переднего и заднего фронтов импульса
в жидкости для всех трех случаев. Более строгое выражение для
L приводится в [53].
С учетом погрешностей измерения периода механических коле-
баний (до 10%) и высоты столбика жидкости (до 3%) получен-
ные данные хорошо согласуются с приводимыми в литературе.
Аналогичные данные получены для этанола.
На рис. 32 приводится осциллограмма возбужденных механи-
ческих колебаний в этаноле для одной из частот импульсной
последовательности СВЧ. При этом длительность импульсов СВЧ
меньше полупериода возбуждаемых механических колебаний.
На рис. 33 приводится осциллограмма возбужденных в этаноле
механических колебаний импульсной последовательностью ЭМИ
с длительностью импульсов, равной нескольким полупериодам
колебаний. Отчетливо видна огибающая поля ц виде наведенного
на пьезокристалл и продетектированного на входных цепях усили-
теля сигнала импульсной последовательности. Благодаря наве-
денному сигналу видны колебания, возникающие как от передне-
го, так и от заднего фронтов импульса СВЧ. Видно также, что
начальные фазы колебаний от переднего и от заднего фронтов
имеют разные знаки, а сами колебания практически равны по
амплитуде, что согласуется с результатами работ [95, 118].
Возбуждение механических колебаний обоими фронтами им-
пульса СВЧ [42, 110] приводит к тому, что фактически мы
наблюдаем суммирование двух затухающих колебаний, имеющих
одинаковую частоту и смещенных по фазе на л + -у-ти, где Т —
период собственных колебаний механической системы, ти— дли-
тельность импульса СВЧ. Очевидно, что амплитуда результирую-
щего колебания А2 будет зависеть от ти следующим образом
/4^ =~^А1 4” Аг 4“ 2А i А% cos (л 4”‘у“^и)~ где
58
Ai=Aoe~a‘ и Л2=Дое а1 ъ -
амплитуды затухающих колеба-
ний. Естественно, что рассмотре-
ние ведется только для />ти, так
как в противном случае наблюда-
ются лишь колебания от переднего
фронта. Таким образом, Д2 макси-
2л 4“ 1 'Г А
мальна при ти =——/, где п = 0,
1, 2... и равна Ai + A2 и минималь-
на, т.е. равна А|— А2 при ти = пТ.
Рис. 34. Гашение возбужденных
механических колебаний в этаноле
Учитывая, что в рассматриваемых нами колебательных системах
измеренная добротность имела величину порядка 100, а макси-
мальная длительность импульса не превышала нескольких Т, то
затуханием можно пренебречь и считать А\ =А2=А0. Следова-
тельно, меняя длительность импульса, можно варьировать ампли-
тудой возбужденных колебаний от одиночного импульса СВЧ
в пределах от 2А0 при ти = 2-+* Г до полного подавления колеба-
ний при т„=пТ. Минимальная величина ти определяется энерги-
ей, необходимой для возбуждения механических колебаний в
системе.
На рис. 34 приводится осциллограмма возбужденных механи-
ческих колебаний в момент подавления.
При изменении частоты следования импульсов ЭМИ амплитуда
возбуждающихся в жидкости механических колебаний макси-
мальна при f„=fp/n, где /и— частота следования импульсов
ЭМИ, fp— частота механического резонанса столбика жидкости,
п = 1, 2, 3,... и тем выше, чем меньше п, и минимальна при
2f
значениях /и, равных . При частоте следования импульсов,
достаточной для затухания возбужденных механических колеба-
ний в жидкости в интервалах времени между импульсами, при
изменении длительности импульсов СВЧ периодически меняется
амплитуда возбужденных механических колебаний. Периодич-
нрсть появления максимумов (минимумов) амплитуды механичес-
ких колебаний равна 1/f, где f — частота возбужденных в жид-
кости механических колебаний. На рис. 35 приводится экспери-
ментальная зависимость амплитуды возбужденных механических
колебаний в столбике жидкости от длительности импульсов ЭМИ
[62]. При длительности импульсов тн^Т/4 колебания от перед-
него фронта не различимы на осциллограмме, а виден лишь
суммарный периодический процесс (см. рис. 32). Существенно,
что в те моменты, когда длительность импульсов такова, что
происходит уменьшение амплитуды возбужденных резонансных
колебаний (при ти=пГ), отчетливо воспринимается «на слух>
59
Отн. ед.
ft
102 1(Г мкс
Рис. 35. Зависимость
амплитуды возбужденных
механических колебаний от
длительности импульса
СВЧ
более низкий тон, соответствующий час-
тоте следования импульсов. Восприятие
низкочастотных колебаний начинается с
частоты следования импульсов ЭМИ, при
которой различимы отдельные щелчки.
Тон, соответствующий собственным резо-
нансным колебаниям системы, восприни-
мается «на слух>, начиная с частоты пов-
торения импульсов порядка 2504-300 Гц.
На рис. 36 приводится осциллограмма
возбужденных механических колебаний,
соответствующая воспринимаемому низ-
кочастотному тону.
Возможность непосредственного восп-
риятия на слух и визуального наблюдения на экране осциллогра-
фа колебаний, возбужденных в жидкости при облучении пробирки
импульсным ЭМИ СВЧ, позволяет сделать предположение о том,
что радиозвук также обусловлен преобразованием падающей
энергии ЭМП в энергию’механических колебаний в поглощающем
веществе. С этой точки зрения, объект, на котором проводились
исследования, можно рассматривать как физическую модель при-
менительно к исследованию радиозвука, а результаты модельных
экспериментов интерпретировать в приложении к данному яв-
лению.
Результаты рассматриваемых здесь работ по радиозвуку и
генерации механических колебаний позволяют нам высказать не-
которые соображения. Зависимость, приведенная на рис. 35, пол-
ностью совпадает в теоретически рассчитанной Дж.Лином, что
подтверждает формальную аналогию наших моделей. Принципи-
альное отличие результатов, полученных на данной физической
модели от результатов Дж.Лина [143], состоит в выявлении
частотной зависимости амплитуды механических колебаний, что
ставит нашу модель гораздо ближе к реальной ситуации, посколь-
ку зависимость эффекта радиозвука от частоты следования им-
пульсов отмечалась многими исследованиями [70, 90, 102, 103,
170]. Важно, что такая зависимость была получена как при
объективной регистрации на экране осциллографа, так и при
субъективном восприятии «на слух>.
Особенно интересным и важным является результат, состоя-
щий в возможности восприятия «на слух> низкочастотного тона,
соответствующего частоте следования импульсов, в моменты, ког-
да при длительности импульса ти =пТ, (п=1,2,...,), колебания,
соответствующие резонансной частоте модели, подавлены и имеет
место лишь генерация пачек колебаний от переднего фронта
(рис. 36). Этот результат позволяет рассматривать так называе-
мый низкочастотный тип радиозвука, описанный в работах [54,
55, 58, 126, 127, 170] как воспринимаемую органом слуха первую
60
Рис. 36. Осциллограмма возбужденных в пробирке механических колебаний
при малой частоте следования импульсов ЭМИ с длительностью, равной пТ
гармонику механических колебаний, возбуждающихся внутри че-
репа при одновременном подавлении более интенсивных резонанс-
ных колебаний при длительности импульса, равной их периоду,
п 2я 1
При длительностях импульсов, равных ——I, воспринимается
высокочастотный тон, соответствующий резонансной частоте воз-
бужденных колебаний.
Данные, полученные на модели, позволяют объяснить зависи-
мость порога восприятия радиозвука от длительности импульса,
полученную в натурном эксперименте [170] и приведенную на
рис. 10. Если исходить из значения частоты возбужденных меха-
нических колебаний, 8 кГц, то при длительности импульса, равной
половине периода, т.е. 60 мкс, естественно, наблюдается минимум
порога. При длительности импульса, равной периоду возбужден-
ных механических колебаний, т.е. 120 мкс, наблюдается полное
подавление восприятия высокочастотного тона и появление на
фоне этого подавления более низкочастотного тона высоты, соот-
ветствующей частоте следования импульсов, как можно предполо-
жить, исходя из рис. 36.
Таким образом, достаточно простая и наглядная система поз-
волила дать ответ на сложные вопросы, касающиеся механизма
радиозвука, что дает право сам объект, на котором проводились
исследования, рассматривать в качестве физической модели ра-
диозвука. Очевидно, что для объяснения факта возникновения
слухового ощущения при облучении головы человека или живот-
ного ИМ ЭМИ, нет необходимости привлекать какие-то гипотети-
ческие механизмы взаимодействия поля с нейронными структура-
ми [54, 58, 107, 120, 126, 127, 181], а достаточно рассматривать
в качестве первичного, тот же, что и в модели, акт преобразова-
61
ния энергии ЭМП в механическую в объекте, обладающем некото-
рыми свойствами акустического резонатора [51].
Гипотеза о «двух типах» радиозвука, обусловленная физиоло-
гическими особенностями, пока остается на уровне предположе-
ния. Вместе с тем обратим внимание на то, что микрофонный
потенциал улитки возникает при механическом смещении бази-
лярной мембраны [56]. Эксперименты по регистрации МПУ морс-
ких свинок (см. рис. 12) показали, что этот потенциал возникал
при воздействии на слуховой аппарат как акустического сигнала
за счет воздушной проводимости, и возбуждения механических
колебаний костей черепа с помощью излучающего пьезокристалла
за счет костной проводимости, так и при действии микроволнового
импульса [80]. При этом вне зависимости от природы воздейству-
ющего фактора и типа проводимости форма микрофонного потен-
циала по общему характеру приблизительно одинакова во всех
случаях, т.е. во всех трех случаях имело место механическое
смещение базилярной мембраны.
Наличие микрофонных потенциалов при механическом дейст-
вии на кости черепа и при микроволновом облучении, с учетом
результатов по облучению жидких сред импульсами СВЧ, говорит
в пользу единого механизма возникновения слухового ощущения
во всех описанных случаях.
Однако описанная модель никак не объясняет сложный спект-
ральный состав возбуждаемого звукового стимула [163, 178, 179,
181], политональный характер радиозвука в области частот до
8 кГц, а также количественных соотношений на пороговых кривых
[55, 170] и, тем более, зависимость формы пороговых кривых
радиозвука от собственной ВЧГС испытуемых [55, 170].
1.2. Сферические модели эффекта радиозвука
На втором этапе исследования роли механических колебаний,
возбужденных импульсами СВЧ, в формировании звуковых ощу-
щений у лиц, подвергающихся облучению, были использованы
модели, в большей степени отвечавшие этой задаче [184]. Пос-
кольку голова человека в первом приближении может быть пред-
ставлена как сферическая оболочка, заполненная веществом с
определенными механическими свойствами [93, 143], мы в качест-
ве модели использовали стеклянные и пластиковые сферы, запол-
нявшиеся теми же жидкостями, что и пробирки в первой серии
экспериментов.
Эксперименты проводились со стеклянными сферическими кол-
бами диаметром 105, 120 и 185 мм и пластиковой сферой диамет-
ром 120 мм, которые заполнялись этиловым спиртом. В некоторых
случаях для сравнения результатов использовались и другие
модели, что будет оговорено в соответствующем месте.
Известно, что субъективно воспринимая громкость радиозвука
имеет логарифмический характер зависимости от импульсной
62
ППМ [103]. Подобным же об-
разом зависит от ППЭ ампли-
туда отклика Ni в слуховом
нерве и амплитуда МПУ, ре-
гистрируемых в круглом окне
улитки морских свинок [78,
83]. В работе [80] было так-
же показано, что зависимость
от ППЭ в чистом виде имеет
место только до некоторой оп-
ределенной длительности им-
пульса (30 мкс), а при боль-
шей длительности амплитуда
откликов в стволе мозга зави-
сит только от ППМИ. Обоб-
Рис. 37. Зависимость амплитуды ме-
ханических колебаний, возбуждающихся
в сфере диаметром 105 мм, от ППМ*
1—для резонансной частоты 11,8 кГц
(ось ординат справа); 2— для резонанс-
ной частоты 2,6 кГц (ось ординат слева)
щая эти экспериментальные
данные, можно прийти к выво-
ду, что субъективная гром-
кость радиозвука, так же, как
и порог ощущения, и амплитуда ВП в слуховых путях, имеют
логарифмическую зависимость от ППЭ. Причем это верно только
для длительностей импульса, не больших некоторой максималь-
ной, которая, как видно из графика на рис. 35, должна быть равна
половине периода возбуждающихся колебаний. Известно, что
орган слуха — прибор логарифмический, поэтому вполне логично
предполагать, что фактор, приводящий к появлению слухового
ощущения или электрического отклика в слуховых путях, должен
линейно зависеть от ППЭ или от ППМИ при постоянной длитель-
ности импульса. В работе [140] была теоретически предсказана
линейная зависимость звукового давления в сферах различного
диаметра от падающей ППМИ. Экспериментального подтвержде-
ния этого результата в литературе не обнаружено, несмотря на
его принципиальность.
На рис. 37 приводятся графики экспериментально полученных
зависимостей амплитуды возбужденных механических колебаний
от выходной импульсной мощности генератора и, соответственно,
расчетной ППМН. Зависимость 1 снималась для резонансной
частоты 11,8 кГц сферы диаметром 105 мм при длительности им-
пульсов 20 мкс. Зависимость 2 снималась для резонансной часто-
ты 2,6 кГц той же сферы при длительности импульсов 80 мкс.
Импульсная мощность рассчитывалась по измеренной средней
и скважности. Максимальные значения напряжений электричес-
кого сигнала, снимаемого с пьезодатчика, замеренные вольтмет-
ром, равны соответственно,—240 мВ для зависимости 1 при коэф-
фициенте усиления усилителя, равном Ку =500 и 43 мВ для зави-
симости 2 при Ку =37.
Как видно из приводимых графиков, амплитуда возбужденных
63
в сферических объемах механических колебаний линейно зависит
от ППМИ (ППЭ). Этот факт является серьезным аргументом
в пользу физического механизма, лежащего в основе феномена
радиозвука, сущность которого состоит в преобразовании энергии
ЭМП в механическую.
Поскольку в наших экспериментах геометрические размеры
модельных объектов были соизмеримы с длиной волны применяв-
шегося излучения (Х= 12,6 см), представлялось важным экспери-
ментально исследовать характер локальных неоднородностей по-
ля внутри объемов. Возможность возникновения таких неоднород-
ностей за счет фокусировки обоснована в ряде работ [36, 68, 115,
130], а Дж.Лин использовал условие фокусировки ЭМП в своей
модели.
В «термоэластической» концепции Дж,Л ина [21, 143] этот
момент рассматривается как принципиальный и определяющий
моды возбужденных механических колебаний. И хотя результаты,
полученные в эксперименте по возбуждению механических коле-
баний в пробирке с жидкостью [44], показали, что моды колеба-
ний представляют собой классическую акустическую картину
[64], случай облучения сферы с размерами, сравнимыми с длиной
волны, нуждался в проверке.
Для создания внутри жидкой сферы областей поглощения
-электромагнитной энергии с различными объемами и геометрией
сфера облучалась двумя способами — прямоугольным волново-
дом сечением 10X72 мм2 и прямоугольным рупором 90Х 120 мм2.
Распределение поглощенной электромагнитной энергии в сфе-
рическом объеме определялось методом измерения температуры
жидкости внутри сферы и методом зонда по величине наведенного
на нем напряжения СВЧ с последующим его детектированием.
Регистрация частот возбужденных механических колебаний в
сфере диаметром 105 мм показала, что’ (с погрешностью в преде-
лах 1—2%) частоты возбужденных колебаний при облучении
сферы волноводом и рупором совпадают. Специального определе-
ния картины поля внутри жидкости не проводилось, но совершен-
но очевидно, что при облучении в условиях равенства величин
подводимой мощности к облучателю рупор и волновод должны
формировать различные области поглощения электромагнитной
энергии — как по форме (за счет различной геометрии торца
облучателя), так и по размерам (за счет различной ППМ).
Сравнивая полученные результаты возбуждения механических
колебаний импульсами СВЧ с равными условиями их возбужде-
ния с помощью лазера [24], можно предположить, что размеры
области поглощения энергии могут служить определяющими
только в том случае, если среда полубесконечна, т.е. как минимум
нет отраженной акустической волны. Если же среда ограничена
(рассматриваемый нами случай), то частота возбужденных меха-
нических колебаний будет определяться размерами и геометрией
64
ограничивающего объема, а сама область поглощения энергии
может рассматриваться лишь как источник внешнего возмуще-
ния, имеющего широкий спектр частот. О том, что при облучении
сферы различными облучателями формируются разные по своим
размерам и форме поглощающие области, говорит тот факт, что
в случае облучения сферы волноводом, имеющим меньшее сечение
по сравнению с рупором и соответственно существенно большее
значение ППМ, амплитуда регистрируемых механических колеба-
ний была существенно выше. На то, что при облучении ограничен-
ного объема различными облучателями частота резонанса объема
определяется лишь его размерами, указывается в работах [81,
83].
Измерение распределения температуры проводилось при облу-
чении сфер с диаметрами 105 и 185 мм и цилиндра диаметром 185
и высотой 65 мм, заполняемых этиловым спиртом и 1 М раствором
NaCl. Время облучения варьировалось от 15 с до 5 мин. Измере-
ние температуры проводилось сразу после выключения поля в
трех точках: в слое жидкости, расположенном непосредственно
перед излучателем, в центре и точке, диаметрально противопо-
ложной первой. Чтобы избежать погрешности, связанной с вырав-
ниванием температуры по объему за время измерения (~10с),
процедура повторялась трижды так, чтобы каждый раз последо-
вательность измерения температуры в выделенных точках была
иной. Оказалось, что неравномерность нагрева по диаметру сфе-
рического объема имеет величину порядка 2,5°, причем наиболь-
ший нагрев происходит вблизи излучателя и убывает по мере
удалёния от него. Таким образом, в наших экспериментах не было
обнаружено концентрации электромагнитной энергии в центре
сфер — так называемых «горячих пятен», упоминающихся в рабо-
те Дж.Лина [143]. Измерение распределения величины напря-
женности электромагнитного поля внутри жидкости, заполняю-
щей сферу, показало, что поле максимально вблизи излучателя
и экспоненциально убывает по мере удаления от него. Поскольку
измерялось относительное изменение величины напряженности
электромагнитного поля, возмущением, вносимым зондом, мы пре-
небрегли. Значения амплитуды продетектированных импульсов
при расположении антенны у стенки колбы, примыкающей к
излучателю, в центре колбы и у стенки, максимально удаленной
от излучателя, относятся как 1:0,5:0,2.
Отсутствие концентрации электромагнитной энергии в исполь-
зованных жидких сферах подтвердил эксперимент с различным
способом возбуждения механических колебаний в цилиндре диа-
метром 185 мм и высотой 65 мм. В первом случае излучатель
находился сбоку от цилиндра. Во втором случае облучение прово-
дилось сверху, т.е. условия фокусировки исключались. Сущест-
венных различий в параметрах возбужденных механических коле-
65
Отн ед. 1
Рис. 38. Амплитудные зависимости акустического давления в сферических
колбах с этанолом для различных частот: 1—[ = 2,7 кГц; 2—f = 6,l кГц; 3—
f = 8,7 кГц; 4—f—11,7 кГц
5 10 г, см
баний зафиксировано не было, т.е. в обоих случаях возбуждались
одни и те же моды колебаний, если параметры ЭМП совпадали.
Такая же картина имела место и при облучении сверху и сбоку
цилиндра с жидкостью диаметром 60 мм и высотой 200 мм раз-
личными облучателями и на различных частотах (915 и
2375 МГц). Во всех случаях частоты (моды) возбужденных меха-
нических колебаний соответствовали расчетным.
Измеренное распределение температуры по объему цилиндри-
ческой модели также не позволило выявить какого-либо характе-
ристического подъема температуры, связанного с величиной ради-
уса модели или диэлектрической проницаемости жидкостей.
Полученные экспериментальные данные позволяют нам исклю-
чить условие концентрации электромагнитной энергии как необхо-
димое для возбуждения в замкнутом объеме механических коле-
баний импульсами СВЧ. В соответствии с этим не представляется
необходимым считать центр сферы источником механических ко-
лебаний, возбуждаемых в жидкости. Нахождение в центре сферы
пучности или узла давления зависит от степени связи сферы
с внешней средой, т.е. от граничных условий.
Таким образом, в наших экспериментах так же, как и в работе
[26], проводившейся на головах животных, не было обнаружено
преимущественной концентрации электромагнитной энергии в
центре облучаемых объектов, что дает нам право полагать нео-
боснованным использование условия фокусировки в модели
Дж.Лина.
На рис. 38 (1—4) показано распределение амплитуд давлений
в стеклянных сферических колбах, заполненных этанолом, полу-
ченное с помощью акустических зондов. Акустические зонды
66
Рис. 39. Акустические зонды
(рис. 39) представляют собой полую стеклянную трубку, откры-
тую сверху. Нижний конец трубки расширен. На торец трубки на
клею крепится пьезоэлектрический преобразователь диаметром
104-12 мм. Коаксиальный кабель, соединяющий преобразователь
с усилителем, выводится через стеклянную трубку. Картина зву-
кового поля определяется путем измерения амплитуды возбуж-
денных механических колебаний по диаметру колбы от основания
горла до дна. Измерения проводились в колбе диаметром 105 мм
с шагом, равным 5 мм. Графики построены для четырех частот
возбужденных механических колебаний—3; 6; 8,5; 11,3 кГц.
Полученные результаты хорошо согласуются с расчетами для
длин волн механических колебаний, возбуждаемых в колбе. Так,
для частоты 6,1 кГц при скорости звука в этаноле, равной
1,18-105 см«с-1, длина волны равна 20 см, т.е. в колбе должна
укладываться половина волны. Полученные графики показывают,
что, вне зависимости от способа облучения, в центре колбы может
иметь место как пучность, так и узел давления. Справедливость
такого вывода косвенно подтверждается ив [81, 83].
Для расчета максимального давления, возникающего в жид-
кости при поглощении ею импульсной электромагнитной энергии,
воспользуемся выражениями, полученными Л.Гарнеем [ПО]:
Pcmax=-^L(1-e"aCt-) (1)
для свободной границы и
Р^=-^(1-е~’С’-/2) (2)
67
для закрепленной границы, где обозначения те же, что и в
выражениях главы III. Поскольку оба крайних случая являются
математической идеализацией, а реальные физические объекты
лишь с различной степенью точности могут быть отнесены к тому
или другому, расчеты целесообразно производить по обеим фор-
мулам, получая при этом граничные величины. Если обозначить
выражения при /0 в формуле (1) как Кс, а в формуле (2)— К3,
то, соответственно:
Р'тах=К<1о нР3тах = К310-
Для спирта при рассматриваемых условиях и ти = 20 мкс —Кс=
= 9,1 дин «Вт-1 ,К3 =8,0 дин «Вт-1. Одновременное использова-
ние единиц СГС и СИ объясняется тем, что для удобства в
расчетах, при размерности [/0] =Вт-см~2, размерность [Pmflx]
нам необходимо получать в дин-см~2. В абсолютном большинст-
ве экспериментов ППМИ с учетом 50% отражения, составляла от
15 до 70Вт-см~2. Следовательно, давление, возникающее внутри
сфер, заполненных спиртом, должно достигать величин, находя-
щихся в пределах от 120 до 650дин.см~2. Аналогично рассчиты-
ваются эти величины и для водных растворов NaCl, по акустичес-
ким и электрическим характеристикам близких к веществу мозга
[149]. Для концентрации 0,125М, при которой а = 63м-1 [177],
Кс = 1,0 дин-Вт-1, а К3 =0,73 дин-Вт-1 и для тех же ППМИ,
значения давления будут находиться в диапазоне от 10 до
70 дин • см ~2. Эти величины хорошо согласуются с нашими экспе-
риментальными данными. Действительно, сигналы, с которыми
нам приходилось работать, имели амплитуды десятки-сотни мил-
ливольт и до 1 4-2 В в отдельных случаях. Учитывая чувствитель-
ность регистрирующей системы (10~5 В-дин ~1-см2), резонанс-
ные характеристики сфер и Ку=37 или 500 в зависимости от
амплитуды механических колебаний и типа регистрирующего при-
бора, получается достаточно хорошее совпадение в порядках
величин. Продемонстрируем это на конкретном примере, относя-
щемся к эксперименту по определению зависимости амплитуды
возбужденных механических колебаний от ППМИ. При облучении
стеклянной колбы диаметром 105 мм на частоте собственного
резонанса 11,8 кГц при Ку =500,ти =20 мкс и замеренной падаю-
щей ППМИ =26,8Вт-см-2 показания вольтметра составили
240 мВ. Амплитуда напряжения на датчике, следовательно, равна
1344 мкВ и давления— 1344 дйн -см~2, а с учетом добротности
(~10) давление от одиночного импульса должно быть порядка
130дин-см-2. Для резонансной частоты 2,6 кГц из того же при-
мера— Ку =37, напряжение по вольтметру—43 мВ, получаем,
что давление на датчике при той же ППМИ и добротности будет
68
Таблица 6
Значения частот возбужденных механических колебаний при различных пара-
метрах импульсов СВЧ
Частота сле- дования им- пульсов ЭМИ, Гц Частота воз- бужденных механичес- ких колеба- ний, Гц Длительность имульсов ЭМИ, мкс Частота сле- дования им- пульсов ЭМИ, Гц Частота воз- бужденных механичес- ких колеба- ний, Гц Длительность импульсов ЭМИ, мкс
23 1238 400 8270 8270
24 1238 то же 9030 9030 25
9190 9190
9310 18620
54 1238 9640 19280
56 1238 10050 10050
10700 10700
80 1238 ff 11020 11020
95 1238 Jf _ 11140 22280
11220 11220
177 1238 11490 11980
206 1238 11820 11820
12030 12030
619 1238 12900 12900
1238 1238 13100 26200
1710 3420 300 13130 52520
1750 5250 100 14070 28140
2280 6840 14650 29300
2625 5250 14660 29320
2925 5850 16670 16670
3160 6320 16940 16940
3420 3420 70 17170 17170
4460 4460 19280 19280
4600 4600 19810 19810
5250 5250 20040 20040 15
5850 5850 20450 20450
5920 5920 20960 20960
6320 6320 50 21340 21340
6410 6410 21930 21930
6610 6610 22280 22280
6840 6840 22440 22440
7290 7290 40 22980 22980
7410 7410 23120 23120
7560 7560 25380 25380
8060 8060
на порядок меньше, что хорошо согласуется с данными Дж.Лина,
рассчитанными для одиночного импульса.
При определении резонансных частот конкретных сферических
объемов мы исходили из предварительных расчетов по формулам
для сферических резонаторов [33] и резонатора Гельмгольца
117].
Расчет по формуле для резонатора Гельмгольца:
где fp — резонансная частота, С — скорость звука в среде, запол-
няющей резонатор, S — площадь сечения горла, / — высота гор-
69
Рис. 40. Зависимость амплитуды возбуж-
денных механических колебаний от частоты
следования импульсов: /—5 мкс, 2—10 мкс,
3—15 мкс. Частота следования импульсов
f р/п, где п — номер субгармоники часто-
ты резонанса
ла, V — объем резонирую-
щей среды, имеющей наи-
меньшее значение часто-
ты, для сферы диаметром
105 мм, высотой горла
20 мм и диаметром 30 мм,
заполненной этиловым
спиртом, дает величину
порядка 1,4 кГц. В экспе-
рименте же минимальная
частота для колбы при
разном заполнении, горла
(от уровня сферы до сре-
за горла) изменялась со-
ответственно от 1735 до
913 Гц, что действительно
указывает на сильную за-
висимость резонансных
свойств от степени заполнения горла колбы.
Как указывалось раньше, амплитуда возбужденных механичес-
ких колебаний максимальна при длительности импульса, равной
половине периода колебаний данной частоты. Однако границы,
в пределах которых можно варьировать длительностью импульса,
определяются достижением режима меандра. Исходя из приве-
денных условий, выбирались начальная длительность импульса
(порядка 400 мкс) и диапазон поиска низкой резонансной часто-
ты. Для сферы диаметром 105 мм резонансная частота составила
1238 Гц. При увеличении частоты следования импульсов СВЧ
в момент возникновения механических колебаний в сфере часто-
томером регистрировались как частота возбуждающих импуль-
сов, так и частота возбужденных колебаний. Данные этого экспе-
римента съедены в табл.6. Существенно, что колебания возникали
не только в случае равенства частот, но и тогда, когда частота
следования импульсов равнялась субгармонике резонансной час-
тоты сферы. Зависимость амплитуды возбужденных механических
колебаний от частоты следования импульсов, равной номерам
субгармоник, показаны на рис. 40.
Сравнение полученных нами данных с данными по определе-
нию резонансных частот механических колебаний в идеальных
сферических резонаторах показывает, что наличие негармоничес-
кого ряда частот, зарегистрированного нами в эксперименте,—
результат несоответствия нашей модели идеальному резонатору.
Наличие горла в колбе приводит к образованию сложной системы
связанных резонаторов — цилиндрического и сферического — с
различной степенью связи, зависящей от уровня жидкости в горле
колбы. Следует заметить, что при экстраполяции полученных
экспериментальных данных на натурный эффект радиозвука необ-
ходимо учитывать более сложную геометрию головы человека
70
Рис. 41. Изменение частоты возбужденных механических колебаний в этаноле
при изменении длительности импульса СВЧ. 1—4— уменьшение длительности
импульса СВЧ. Осциллограммы получены при одной и той же Скорости развертки
луча осциллографа
и наличие неоднородностей. Очевидно, что в реальных условиях
это должно приводить к еще более плотному ряду частот, воспри-
ятие которого должно быть ограничено сверху высокочастотной
границей слуха каждого индивидуума. На рис. 41 приводятся
осциллограммы возбужденных механических колебаний в сфери-
ческом резонаторе, демонстрирующие трансформацию частоты
этих колебаний при изменении длительности импульсов ЭМИ.
Полученные результаты позволяют полагать, что факторами,
определяющими диапазон возбуждаемых в сфере (голова челове-
ка) и регистрируемых (воспринимаемых органом слуха) механи-
ческих колебаний, в первую очередь являются длительность им-
пульсов СВЧ и частота их следования. Это объясняет причину
возникновения у испытуемых ощущения звука более высокочас-
тотного, чем частота следования импульсов в ранних работах по
радиозвуку, в которых экспериментаторы использовали для моду-
ляции СВЧ излучения короткие импульсы.
Таким образом, можно прийти к выводу, что механизм возбуж-
дения как низкочастотных, так и высокочастотных механических
71
колебаний имеет единую физическую природу, связанную с погло-
щением электромагнитной энергии тканями головы или рабочей
жидкостью, и проявляется в той или иной форме в зависимости от
параметров внешнего воздействия. Формирование же слухового
образа у человека идет тем же путем, каким воспринимается
обычный звук при дефектах среднего уха (отосклероз) или как
под водой, т.е. посредством костной проводимости.
Вопрос о возможном значении частоты и добротности механи-
ческого резонанса головы как акустического резонатора при воз-
буждении в ее тканях механических колебаний импульсами ЭМИ
до настоящего времени остается открытым. Приводимые в рабо-
тах Дж.Лина соотношения С/2а и 1,44 С/2а для определения
возможных значений частоты механического резонанса головы
охватывают диапазон частот порядка 7,5—10,8 кГц для значения
скорости звука 1,44 ИО5 см»с-1 и а = 9см, где а — радиус голо-
вы. На пороговой кривой радиозвука указанный диапазон частот
ограничен снизу областью максимального порога чувствительнос-
ти, сверху—минимального. То есть, если переходить к кривой,
равной громкости радиозвука, и рассматривать ее как амплитуд-
но-частотную характеристику (АЧХ) некоей резонансной систе-
мы, то эти области будут обладать диаметрально противополож-
ными свойствами — минимальным и максимальным коэффициен-
тами передачи сигнала. Такая противоречивость не позволяет
принимать столь широкий диапазон возможных значений частоты
механического резонанса головы. С другой стороны, широкий
спектр механических колебаний, возбуждаемых в сферических
резонаторах с высокой добротностью (порядка 300—500), не
позволяет определять какую-либо из частот в качестве основной
и сопоставлять с той или иной характерной частотой на пороговой
кривой радиозвука. Основываясь на данных [1, 33], можно пред-
положить, что добротность головы как акустического резонатора
должна быть невысокой.
ГЛАВА V. ГОЛОВА ЧЕЛОВЕКА КАК МНОГОМОДОВЫЙ
АКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР
§ 1. Костно-тканевая аудиометрия в широком диапазоне частот
Задача об определении резонансных характеристик головы
человека вытекает из необходимости ввести в термоэласти^ескую
концепцию конечное значение механической добротности и экспе-
риментально найти значение резонансной частоты головы как
акустического резонатора, либо показать возможность существо-
вания многомодовой системы. Сам автор термоэластической моде-
ли, по-видимому, исходил из собственных общих представлений
относительно резонансных свойств головы, хотя по этому вопросу
существуют как теоретические [69, 93, 118, 147, 176], так и
экспериментальные работы [124, 125]. Серьезным недостатком
тех и других является их отдаленность от реального объекта.
В теоретических работах в качестве моделей рассматриваются,
как правило, сферические оболочки разной степени жесткости,
заполненные жидкостью, а в экспериментальных резонансные
характеристики исследовались на сухих черепах. Есть также
аудиометрические исследования, в которых обнаруженные* резо-
нансы имели смысл некоторых аномалий в скорости распростране-
ния звуковой волны (отклонение от линейной зависимости) [169,
187], но они проводились на частотах, не превышавших 4 кГц.
Работа [150], упоминавшаяся в обзоре литературы, выполнялась
на животных и не может претендовать на общность, поскольку
проводилась в неординарных условиях.
В экспериментах мы исходили из естественного предположения
о том, что резонансные характеристики головы должны оказывать
влияние на восприятие звука по костному проведению. Во всяком
случае, мы имели право предполагать наличие некоторых особен-
ностей в аудиограмме костной проводимости на частоте (часто-
тах) механического резонанса головы наблюдателя. Необходи-
мость проведения собственных исследований диктовалась тем, что
анализ литературы по костно-тканевой аудиометрии не дал нам
искомой информации. Значительная часть исследований ограни-
73
дБ
20
Рис. 42. АЧХ костного телефона
чена частотой, не превышающей
5—6 кГц [16, 77, 92, 124, 153,
169, 175], либо посвящена ульт-
развуковому диапазону [34,
165]. Те же работы, где так или
иначе представлен интересую-
щий нас диапазон (4—12 кГц)
[6, 7, 35, 38, 74, 91,'94, 148, 185],
не могли дать необходимую ин-
формацию, поскольку традици-
онно костно-тканевые аудиог-
раммы снимались по точкам, отстоящим друг от друга либо на
октаву, либо на величину, не меньшую 1—2 кГц в условиях
асимметричного подведения звука к мастоиду. Нам же необходи-
мо было иметь пороговую кривую для диапазона частот 4—
12 кГц, снятую с шагом не более 200 Гц. Это условие диктовалось
тем, что на пороговой кривой радиозвука (см. рис.9) крутизна
порога в области частот 6—8 кГц достигает 604-90 дБ* окт-1.
На сегодняшний день практически не существует единой мето-
дики аудиометрии порогов по костной проводимости, отсутствуют
ГОСТ и совершенная специализированная аппаратура. Чаще все-
го в клинических условиях используют установки для воздушной
аудиометрии, а в качестве звукоизлучателя берутся вибраторы
специальной конструкции, соответствующим образом откалибро-
ванные [6, 7, 35, 37—39, 91, 92].
В качестве звукоизлучателя нами был использован акустичес-
кий вибратор, представляющий собой батарею пьезокристаллов
из сегнетовой соли, заключенную в дюралюминиевый стаканчик
диаметром, 30 и высотой 50 мм и залитую эпоксидной смолой.
Амплитудно-частотная характеристика этого излучателя, приве-
денная на рис. 42, снималась на акустической контрольно-измери-
тельной аппаратуре фирмы Брюль и Къер (измерительный микро-
фон типа 4145, измерительный усилитель типа 2606) в заглушен-
ном боксе при входном напряжении 1,5 В.
Все аудиометрические измерения проводились внутри кубичес-
кого помещения со стороной 2,8 м. В помещении кроме испытуе-
мого находился только оператор. Стены помещения выложены
пенобетоном, пол устлан ковриками из пористой резины. Уровень
окружающего шума, замеренный с помощью измерительного мик-
рофона МКЭ-2А, не превышал 25 дБ относительно АПС. В ка-
честве источника переменного напряжения звуковой частоты ис-
пользовался генератор ГС-100И с высокой стабильностью ампли-
туды выходного напряжения (порядка 1 4-2%) во всем диапазоне
применявшихся частот. Выходное напряжение контролировалось
оператором по вольтметру ВЗ-ЗЗ, частота — с помощью частото-
метра 43-34. Звукоизлучатель прикладывался плоским донышком
ко лбу испытуемого в точке, находящейся в саггитальной плоскос-
74
ти и отстоящей на 1—2 см от границы волосяного покрова и
фиксировался в таком положении резиновым ремнем на всю
процедуру. При этом сила прижима была максимальной, при
которой еще не возникало неприятных ощущений у испытуемых,
что, по данным [38], приводит к повышению стабильности резуль-
татов. Во избежание утомления испытуемого, процедура измере-
ния порогов продолжалась не более 30 мин, а повторные измере-
ния проводились не ранее, чем через 2—3 дня. Для предотвраще-
ния прослушивания по воздуху и влияния посторонних шумов
уши испытуемого закрывались противошумными наушниками ти-
па ВЦНИИОТ-2М (НП 45X7), заглушающая способность кото-
рых в диапазоне частот 1—8 кГц находится в пределах 22—45 дБ.
Испытуемый располагался в кресле в удобной позе. В левой
руке у него помещался кнопочный прерыватель, а правой он мог
свободно манипулировать регулятором выходного напряжения
звукового генератора. При разомкнутом прерывателе оператор
устанавливал частоту выходного сигнала, контролируя ее по час-
тотомеру. Затем испытуемый медленно увеличивал выходное нап-
ряжение от нулевого уровня (регулятор в крайнем положении)
вплоть до момента появления слухового ощущения. При этом
одновременно, для большей достоверности регистрации наличия
звука [66], он замыкал и размыкал прерыватель, нажимая на
кнопку и отпуская ее. В момент появлений ощущения звука
испытуемый подавал сигнал оператору, который записывал пока-
зания вольтметра и перестраивал частоту выходного сигнала
генератора, после чего процедура повторялась. Таким образом, за
один сеанс снималась 41 точка в диапазоне от 4 до 12 кГц
с шагом 200 Гц. Всего в экспериментах участвовало 6 мужчин
в возрасте от 22 до 35 лет, 5 из которых не имели сколь-нибудь
существенных отклонений от нормального слуха, а испытуемый
6 имел заметное снижение чувствительности в области частот
выше 8 кГц.
Аудиограммы испытуемых строились по 3—5 испытаниям после
предварительного усреднения в каждой точке и с учетом характе-
ристики костного телефона. На рис.43 представлены все 6 аудиог-
рамм под номерами, соответствующими номерам, которые присва-
ивались испытуемым.
Даже при самом поверхностном рассмотрении можно отметить,
что каждая аудиограмма сугубо индивидуальна. Отсюда следует,
что нельзя без ущерба для информативности строить общую
аудиограмму для «усредненного» испытуемого, поскольку при
этом неизбежно нивелируются характерные особенности, принад-
лежащие каждой аудиограмме в отдельности. Это обстоятельство,
по-видимому, является одной из основных причин «гладкости»
подавляющего большинства аудиограмм, приводящихся в литера-
туре. Интересно, что в работе [124] авторы особо отмечают
уникальность резонансных характеристик сухих черепов. С другой
стороны, несмотря на индивидуальность, все аудиограммы имеют
75
безусловное сходство типа по-
добия формы. Сходство это
состоит в наличии чередую-
щихся подъемов и спадов
чувствительности, а положе-
ние экстремумов на оси частот
и их относительная величина
делают каждую аудиограмму
непохожей на другие. О
сходстве и различии индиви-
дуальных аудиограмм можно
судить по рис. 43, в котором,
для большей наглядности, зо-
ны повышения и понижения
порогов чувствительности вы-
делены наклонной штрихов-
кой, а линии, соединяющие со-
ответствующие особенности,
обозначены строчными буква-
ми.
Детальный анализ приве-
денного рисунка, по-видимо-
му, может дать интересную
информацию для специалис-
тов в области физиологии и
патологии слуха. Для нас же
наиболее важным является
то, что аудиограммы имеют
вид резонансоподобных кри-
вых с выделенными зонами
1 । । । повышения и понижения чувс-
4 6 8 10 12 кГц твительности. Это дает нам
Рис. 43. Костно-тканевые аудиограм- основание полагать, что и вид
мы человека пороговой кривой радиозвука
(см. рис. 9) в значительной
степени обусловлен характеристикой чувствительности по костно-
му проведению, которая в свою очередь, по всей вероятности,
формируется резонансными свойствами костей черепа и головы
как целого. Во всяком случае, подъем порога (до 20 дБ), отмеча-
ющийся на всех аудиограммах в зоне «в>—«д> с максимумом по
линии «г» в районе 7—8,5 кГц, и существенное снижение порога
(до 35 дБ) в зоне «е>—«з> с линией минимума «ж> на частотах
10—11 кГц очень хорошо коррелируют с аналогичными особен-
ностями на пороговой кривой радиозвука.
Основной вывод, который можно сделать из экспериментов по
аудиометрии слуховых порогов по костному проведению, состоит
в том, что голова человека может рассматриваться как многомо-
довый резонатор, что проявляется в характере аудиограмм, сня-
76
a
. 1,5 МС I _ 1,5 МС |
I Период одного
(колебания МС I
, Длительность отклика,
Межнпульснын интервал более 3 мс ।
1,5 мс | 1,5 мс
2.5 мс
Рис. 44 Интерференция колебаний от двух единичных функций при межим-
пульсном интервале, меньшем длительности процесса возбуждения колебаний
тых с использованием минимально возможного шага по частоте.
Очевидно, что особенности в восприятии звуков по костному
проведению оказывают влияние и на характер восприятия раз-
диозвука.
§ 2. Механизм формирования костно-тканевой аудиограммы
Поскольку эффект радиозвука наиболее вероятно связан с
костной проводимостью, рассмотрим механизм формирования
костно-тканевой аудиограммы, исходя из предположения о воз-
можности его связи с резонансными свойствами анатомических
структур черепа.
Известное сходство некоторых характеристик частотного ана-
лиза слуховой системы, наблюдаемое в* электрофизиологических
и психоакустических исследованиях позволяет проводить сравни-
тельную оценку данных, получаемых в опытах на человеке и
животных. В качестве методического приема используем метод
сравнения откликов нейронных структур различных уровней и
характеристик выходного сигнала резонансного колебательного
77
Рис. 45 Участок аудиограммы дельфина-
афалины (1) и корреляция слухового ощущения
(2) с ответом слуховой коры (3)
контура при их возбуж-
дении стимулом одина-
ковой формы — единич-
ной ступенькой [49].
В работе [31] иссле-
довались ответы слухо-
вой коры дельфина-
афалины на стимуля-
цию парными звуковы-
ми импульсами при из-
менении интервала в
парах звуковых им-
пульсов. Показано, что
при увеличении началь-
ного интервала между
импульсами, меньшего,
чем длительность вол-
ны регистрируемого
отклика, наблюдается
существенное увеличе-
ние его амплитуды. Схожую картину можно получить при увели-
чении длительности прямоугольного импульса, воздействующего
на резонансный колебательный контур, рассматривая фронты им-
пульса в виде двух единичных функций, как это было показано
в гл.IV. В этом случае изменение длительности прямоугольного
импульса эквивалентно изменению межимпульсного интервала
при стимуляции биологического объекта.
Более ярко выраженная картина при изменении межимпульс-
ного интервала наблюдается при действии импульсов ультразвука
непосредственно на анатомические структуры головы морской
свинки [151]. При длительности импульса ультразвука равной
0,5 мс межимпульсный интервал уменьшали с 250 до 2,5 мс. При
этом потенциал в круглом окне улитки существенно менял свою
форму. Это изменение проявлялось в уменьшении амплитуды
последней отрицательной полуволны отклика на 50—60%.
Из приводимых в [151] образцов документальной записи отк-
ликов следует, что при длительности всего отклика порядка 3 мс
уменьшение межимпульсного интервала до 2,5 мс приводит к
суммированию последней отрицательной полуволны предыдущего
колебательного процесса с первой положительной полуволной
последующего колебательного процесса. Такое изменение формы
отклика можно объяснить, если исходить из предположения, что
в тканях черепа возбуждаются механические колебания с перио-
дом, равным 1,5 мс, с последующей их интерференцией.
На рис. 44 схематически представлен процесс возбуждения
колебаний одиночными импульсами. При длительности процесса
возбуждения, существенно меньшей межимпульсного интервала,
колебательный процесс заканчивается до возбуждения последую-
78
щей серии колебаний (а). При
межимпульсном интервале,
меньшем длительности серии
возбужденных колебаний, в
результате интерференции
суммарный колебательный
процесс отличается от одиноч-
ного (б). Пунктиром показана
форма потенциала в круглом
окне улитки морской свинки
[151] при межимпульсном ин-
тервале, меньше длительности
отклика. Подобная картина
отмечалась и при возбужде-
нии механических колебаний
в одноконтурной модели радио-
звука (гл. IV) а также в на-
турных экспериментах по ра-
Рис. 46. Точки измерения скорости
звука (заимствовано из [34])
диозвуку, вызывая различные
слуховые ощущения у человека.
В работе [31] исследовали ответ слуховой коры дельфина-
афалины на изменение направления сдвига частоты звукового
стимула. Показано, что при повышении частоты стимула форма
реакции существенно отличается от начальной — последняя полу-
волна либо исчезает, либо ее амплитуда резко уменьшается. При
переходе от повышения к понижению частоты на других началь-
ных частотах характер отклика также меняется. Авторы [31]
предполагают наличие в слуховой коре дельфина элементов, изби-
рательных к направлению сдвига частоты стимула.
Проанализируем формы ответов слуховой коры дельфина при
девиации частоты тонального сигнала, воспользовавшись реакци-
ей колебательного контура на изменение частоты выходного сиг-
нала. Известно, что при девиации частоты несущей, поступающей
на вход резонансного колебательного контура, вследствие измене-
ния расстройки контура будет пропорционально меняться ампли-
туда колебаний на контуре. В зависимости от расположения
рабочей точки, т.е. начального значения частоты сигнала, относи-
тельно частоты резонанса контура fp , при девиации выходного
сигнала на одну и ту же величину Af форма выходного сигнала
будет различной. Чем ниже добротность контура, тем с меньшими
искажениями будет преобразована функция изменения частоты
выходного сигнала в функцию изменения амплитуды выходного
сигнала. В данном случае имеет место преобразование частотно-
модулированного (ЧМ) сигнала в амплитудно-модулированный
(AM) сигнал.
Воспользуемся теперь аудиограммой дельфина, снятой более
детально [56], чем приводимая в [29]. На участок аудиограммы
79
Точка приложе- ний вибратора XI X XII XIII IX II
Скорость* зву- ка в костях чере- па, м« с-1 Измеренная** частота макси- мального поро- га, кГц 943,8 998,3 1066,2 1066,2 1098,6 1178,4
6,59 6,72 7,06 7,06 7,43 6,99
Примечание: *— заимствовано из (34J с :обственные данные.
(рис. 45) в области частот 20—40 кГц (линия 1) нанесем ее
зеркальное отображение, эквивалентное амплитуде возбуждаемо-
го слухового ощущения (линия 2) и ответ слуховой коры дельфи-
на при изменении частоты тонального звукового сигнала в этом
же частотном диапазоне (линия 3 [31]). Видно, что зарегистриро-
ванные ответы слуховой коры дельфина хорошо коррелируют
с кривой амплитуды слухового ощущения, тем более, что сама
аудиограмма дельфина и ответы слуховой коры получены в раз-
личное время разными исследованиями. Если исходить из предпо-
ложения, что и в данном случае резонансные свойства анатоми-
ческих структур головы дельфина формируют его аудиограмму, то
форму откликов слуховой коры можно объяснить процессами
преобразования ЧМ-сигнала в АМ-сигнал.
Таким же методом могут быть проанализированы данные, по-
лученные в других работах. Так, в [30] при исследовании ВП
в слуховой коре дельфина на изменение частоты тона было
отмечено увеличение амплитуды ВП при изменении частоты тона
уже на доли процента на частотах в диапазоне 5—40 кГц. Срав-
нение этих результатов и детальной аудиограммы дельфина [56]
показывает, что в пяти случаях из восьми, представленных в
работе [30] зависимость амплитуды ВП при абсолютном измене-
нии частоты тона объясняется резонансной моделью. Так, при
повышении частоты тона от 10 кГц [30] наблюдается увеличение
амплитуды ВП, что можно объяснить наличием на кривой, являю-
щейся зеркальным отображением аудиограммы, участка с повы-
шением амплитуды слухового ощущения на частоте 10 кГц. Та же
картина имеет место при повышении частоты тона от 20 и
40 кГц—на этой же кривой, начиная с этих частот отмечены
участки с повышением амплитуды сигнала. Причем участок, начи-
нающийся с 20 кГц, имеет меньший наклон, чем участок, начина-
ющийся с 40 кГц. Соответственно, увеличение ВП при повышении
частоты тона от 20 кГц меньше, чем при повышении от 40 кГц
[30]. Сравнение аудиограмм в работах [29] и [56] наглядно
демонстрирует разницу обеих кривых. Можно предположить, опи-
раясь на аудиометрические данные по костной проводимости
80
Таблица 7
Зависимость значения частоты максимального порога от скорости звука в
костях черепа
I IV III VIII VI VII V
1186,6 1260,0 1270,0 1423,0 1428,9 1440,5 1448,5
7,03 7,08 7г10 7,37 7,46 7,43 7,52
звука у человека, получаемые по стандартной методике и при
медленном плавном изменении частоты, что аудиограммы дельфи-
на в этих работах были получены также при различных частотных
приращениях стимула. Так, наличие высокого порога чувстви-
тельности по костному проведению звука в области частот 7—
8 кГц впервые удалось обнаружить лишь при частотном измеряе-
мом шаге в этой области менее 10 Гц, что составляет 0,12%. Эта
цифра соизмерима с приводимыми в [31] указанными изменения-
ми частоты тона и не исключено, что детальное изучение аудио-
граммы дельфина позволит обнаружить более тонкую структуру
изменений порога.
В работе [34] приводятся результаты измерения скорости зву-
ка в различных точках на черепе (рис. 46). Толщина костей в этих
точках и их плотность различны, что должно приводить к различ-
ному значению частоты резонанса для каждой отдельной кости,
как механического резонатора. Возбуждение механических коле-
баний с помощью костного вибратора в этих же точках показало,
что в костях, характеризующихся меньшими значениями скорости
звука, частота, на которой отмечается максимальный порог, ниже
(результаты см. табл. 7). Рассчитанный по полученным данным
коэффициент корреляции равен 0,818. Эти данные позволяют
считать, что величина скорости звука в плотных тканях головы
влияет на частотные свойства характеристических точек порого-
вой кривой костной проводимости звука. Отдельные кости черепа,
а также различные полости и отдельные структуры, характеризу-
ющиеся собственными резонансными частотами могут быть предс-
тавлены одноконтурными резонансными системами.
Проведенный анализ показывает, что по формальным призна-
кам, некоторые физиологические особенности слуховой системы
можно объяснить категориями и понятиями четырехполосников,
каковыми являются резонансные колебательные контуры или сис-
темы таких связанных контуров.
Таким образом, голова человека при возбуждении в ней меха-
нических колебаний может быть представлена системой связан-
ных между собой резонаторов, а зеркальное отображение костно-
81
тканевой аудиограммы можно рассматривать как интегральную
АЧХ многорезонансной или многомодовой системы. При этом
можно полагать, что расположение рассмотренных выше характе-
ристических областей минимальных и максимальных порогов
чувствительности на пороговой кривой костного слуха формирует-
ся в зависимости от фазовых соотношений возбужденных в раз-
личных областях механических колебаний.
ГЛАВА VI. ДВУХКОНТУРНАЯ РЕЗОНАНСНАЯ МОДЕЛЬ
РАДИОЗВУКА
§1. Концепция двухконтурной резонансной модели
Как уже отмечалось, одноконтурная математическая модель,
предложенная Дж.Лином [143], оказалась не в состоянии объяс-
нить наличие высокочастотных компонент в воспринимаемом слу-
ховом ощущении при низкой частоте следования импульсов СВЧ.
Для анализа пороговой кривой радиозвука и попытки ее описа-
ния физическими характеристиками анатомических структур го-
ловы и их взаимодействий при возбуждении механических колеба-
ний мы будем пользоваться терминами и категориями четырехпо-
лосников и оперировать с зеркальным отображением пороговой
кривой радиозвука — кривой, равной громкости радиозвука, т.е.
будем оперировать с АЧХ некоей резонансной системы. Возмож-
ность такого методического подхода обоснована в гл. V.
Как видно из рис. 9, АЧХ такой системы имеет два частотных
максимума, которые могут соответствовать механическому резо-
нансу тканей черепа, имеющему место при частоте следования
импульсов, равной частоте собственных колебаний и субгармони-
ке. Причем, максимум, соответствующий низкой частоте следова-
ния импульсов, распадается на два менее ярко выраженных
максимума, проявляющихся на частотах следования импульсов,
равных субгармоникам. В принципе, качественно совпадающую
с пороговой кривой радиозвука амплитудно-частотную характе-
ристику может иметь одиночный колебательный контур. При по-
даче на такой контур импульсов внешнего возмущения в нем
будут возбуждаться затухающие колебания. Однако сразу можно
постулировать следующее:
1. При подаче на одиночный колебательный контур импульсов
внешнего возмущения в контуре возбуждаются ударные колеба-
ния с частотой, близкой частоте собственных колебаний контура.
2. АЧХ одиночного контура имеет один максимум на частоте
собственного резонанса с пологими скатами в обе стороны от этой
частоты. Качественное же совпадение АЧХ одиночного контура
83
при ударном возбуждении и кривой, равной громкости радиозву-
ка, объясняется интерференцией между затухающими колебания-
ми, возбуждаемыми внешними импульсами.
С другой стороны, анализ приводимых в работе [170] графиков
показывает (см. рис. 9 и 10), что если за частоту резонанса
принять значение частоты 10—11 кГц, то максимум порога на
кривой зависимости этой величины от длительности импульса
должен был бы соответствовать длительности импульса, равной
периоду возбужденных механических колебаний, т.е. 90—100 мКс.
Однако из этих графиков видно, что максимум порога смещен
к 120 мкс, т.е. соответствует частоте возбужденных колебаний,
близкой к 8 кГц.
Тоже можно сказать о минимуме порога на этой кривой,
соответствующей длительности импульса, близкой к 60 мкс и
равной половине периода возбужденных механических колебаний.
В то же время область минимального порога на пороговой кривой
радиозвука соответствует частоте следования импульсов, равной
10,5 кГц, что, естественно, приводит к допущению наличия резо-
нанса на этой частоте.
Соответствие резонансных частот одноконтурных моделей ра-
диозвука области возможных значений механического резонанса
головы (см. гл.IV) создает определенные удобства при постановке
эксперимента. Анализ амплитудных зависимостей звукового дав-
ления возбуждаемых в жидкости механических колебаний им-
пульсами ЭМИ показал, что при частоте резонанса столбика
жидкости, равном 10 кГц, отношение амплитуд звукового давле-
ния на частотах следования импульсов, равных 5 и 10 кГц, в
модельном эксперименте существенно больше, чем для этих же
значений частот на пороговой кривой радиозвука. При этом
частота 5 кГц рассматривается как субгармоника ввиду моното-
нального характера слухового ощущения в натурном эксперимен-
те на частоте 10 кГц и выделения первой гармоники частоты
следования импульсов, равной также 10 кГц, в модельных экспе-
риментах. Крутой (до нескольких сотен дБ.окт-1) спад амплиту-
ды звукового давления на частоте следования импульсов, равной
7,5—8 кГц, в модельном эксперименте можно объяснить наличием
высокой добротности применяемых в модельном эксперименте
одноконтурных моделей. Наличие такой добротности в натурном
эксперименте вряд ли может иметь место хотя бы уже по причине
больших значений вязкости и затухания в тканях головы по
сравнению с таковыми для рабочих жидкостей.
Чтобы определить добротность головы как акустического резо-
натора, перейдем к кривой, равной громкости радиозвука, и при-
меним известный прием определения добротности резонансного
контура. Воспользуемся выражением для амплитуды установив-
шихся колебаний в резонансном контуре [25]:
84
у_ К _ F
К. -jMl/Q'+tf-f2)2.
где К — коэффициент передачи сигнала на частоте /, Ко— коэф-
фициент передачи сигнала на частоте fp, F— возмущающая сила.
Получаем выражение для добротности контура вблизи частоты
резонанса:
1-П2
4 “ х2 ( \ —f2)2 ’
Из условия F—\ при Хтах = \ для f = fp, причем в точке f = fp,
fp = l. Из пороговой кривой радиозвука для точек fp =5,5 кГц
и f= 1кГц (выбирается произвольно) амплитуда колебаний в этой
точке на 5,4 дБ меньше, чем в точке f = fp, т.е. Х = 0,53. При этом
f = 0,18 (fp = l). Подставляя значения этих величин в выражение
для добротности контура, получаем значение этой величины для
первого контура, близкое к 2. К этому же результату можно
прийти, воспользовавшись данными по затуханию амплитуды дав-
ления акустической волны в тканях мозга [25]. Для сравнения
укажем, что приводимое в [33] значение добротности для головы
дельфина, как для колебательной системы с сосредоточенными
параметрами, составляет 2—3, что хорошо согласуется с получен-
ными результатами. С другой стороны, крутизна повышения поро-
га на пороговой кривой радиозвука в области частот 7,5—8 кГц
составляет 60—90 дБ*окт-1, что свидетельствует о высокой доб-
ротности рассматриваемой резонансной системы, чего также нель-
зя добиться для одноконтурного резонатора при указанной доб-
ротности. К аналогичным выводам приходят и авторы работы
[58].
Если предположить, что пороговая кривая радиозвука есть
результат импульсного возбуждения одноконтурной системы, то
нетрудно показать, что в данном случае разница амплитуд на
основной частоте, равной 10 кГц, и на частоте субгармоники
(соответственно 5 кГц) не должна превышать 2 дБ, тогда как на
пороговой кривой радиозвука соответствующие точки отличаются
более чем на 4 дБ.
Однако главным обстоятельством, которое никак не укладыва-
ется в рамки одноконтурной резонансной модели, в целом хорошо
описывающей феномен радиозвука, все же являются результаты
экспериментов по аудиометрии слуховых порогов по костному
проведению звуков. На всех аудиограммах в области частот
7—8,4 кГц имеется подъем порога на величину 5—25 дБ относи-
тельно порога на 9—10 кГц и примерно на 5—10 дБ относительно
5,5—6,5 кГц. Объяснить подъем порога на аудиограммах в той же
частотной области, что и на пороговой кривой радиозвука, в
рамках одноконтурной резонансной модели не представляется
возможным. Для того, чтобы исключить эти противоречия, необ-
85
Рис. 47. Семейство АЧХ двух связанных контуров с различным коэффициен-
том связи (заимствовано из [40])
ходимо констатировать не только формальное сходство пороговых
кривых на рис. 9 и аудиограмм слуховых порогов по костному
проведению на рис. 43, но и предположить, что и те, и другие
характеризуют резонансные свойства системы, воспринимающей
звук по кости, и радиозвук, как механического резонатора, факти-
чески являясь ее двугорбой АЧХ. Одновременно нельзя не учиты-
вать и данные работы [150] по прямой регистрации механических
колебаний внутри головы мертвых животных при облучении их
импульсами ЭМИ, где было показано, что голова, в такой поста-
новке эксперимента, является моночастотным резонатором с резо-
нансной частотой, соответствующей резонатору со свободными
границами— fp=C/2a.
Таким образом, одноконтурная модель Дж.Лина внутренне
противоречива и не позволяет объяснить наличие характеристи-
ческих областей на пороговой кривой радиозвука.
Рассмотрим систему из двух связанных колебательных конту-
ров, имеющих равные частоты собственных колебаний. Известно,
86
что форма АЧХ одиночного контура определяется его доброт-
ностью, форма АЧХ связанных контуров — еще и коэффициентом
связи. На рис. 47 [40] приводится семейство АЧХ двух связанных
контуров с равной добротностью и разными значениями коэффи-
циента связи. Как видно из рисунка, при сильной связи, т.е. при
Ккр» АЧХ имеет два частотных максимума, называемых час-
тотами связи.
Если возбудить систему из двух связанных контуров со сте-
пенью связи, выше критической, коротким импульсом, то в этой
системе возникнут короткие затухающие колебания с двумя раз-
личными частотами, близкими к частотам связи. В результате
переходных процессов в такой системе возникают также биения,
которые длятся и после снятия внешнего возбуждения.
Таким образом, частотный спектр колебаний, генерируемый
системой двух связанных контуров при их возбуждении коротким
прямоугольным импульсом, существенно богаче по сравнению
с одиночным контуром.
При связи, равной критической, полоса пропускания двухкон-
турной системы более чем в три раза шире, чем у одиночного
контура с равной добротностью, т.е. Af2K =3,lfp/Q, где fp и
Q — частота резонанса и добротность одиночного контура. При
дальнейшем увеличении коэффициента связи «провал» на частоте
резонанса увеличивается и получаемая в результате этого двугор-
бая кривая характеризуется двумя полосами пропускания, т.е.
суммарная полоса пропускаемых частот еще шире. Основным
преимуществом двухконтурной системы при этом является повы-
шение добротности при расширении полосы пропускания, что
способствует повышению крутизны скатов АЧХ.
Качественное сравнение АЧХ двухконтурной системы с коэф-
фициентом связи /СКр с пороговой кривой радиозвука приво-
дит к допущению предположения о возможности существования
реальной двухконтурной системы. Однако это сравнение позволя-
ет сделать и следующий вывод. Симметрия формы АЧХ относи-
тельно частоты резонанса обусловлена равенством добротностей
обоих контуров и их резонансных частот. Значит асимметрия
пороговой кривой радиозвука, трактуемой как АЧХ двухконтур-
ной колебательной системы, является результатом наличия двух
связанных контуров с различной добротностью и различным зна-
чением резонансных частот [40]. В этой связи, как нам кажется,
необходимо учитывать некоторые свойства контуров с низкой
добротностью.
Для доказательства существования двухконтурной системы,
обясняющей эффект радиозвука, оценка добротности обоих кон-
туров имеет первостепенное значение.
Это касается в первую очередь определения величины коэффи-
циента связи. Оценку этой характеристики проведем на основе
87
сведений об амплитудно-частотных свойствах периферии органов
слуха и пороговой кривой радиозвука.
Предварительно необходимо рассмотреть вопрос о возможнос-
ти той или иной структуры головы человека играть роль эквива-
лентного второго контура. В качестве первого контура взята
резонансная модель Дж.Лина с частотой резонанса fp = C/2a,
где С — скорость звука в тканях мозга, а — радиус головы. Сразу
можно отметить, что в силу близких значений импедансов биоло-
гических тканей любая структура, выбранная в качестве второго
резонатора, будет достаточно сильно связана с первым резонато-
ром. Однако это положение приводит к парадоксу — невозможно
внутри некоего объема выделить меньший объем со значением
скорости звука, равным или близким этой же величине для боль-
шего объема и имеющего одинаковую с ним частоту. При этом
предполагается, что плотности вещества обоих объемов близки
или равны друг другу.
Выход из создавшегося положения можно найти, если предпо-
ложить наличие внутри черепа структуры, отвечающей одному из
следующих условий:
1. Скорость звука в структуре отличается от скорости звука
для остальных тканей мозга в силу наличия определенной специ-
фики выделенной структуры.
2. Скорость звука в структуре отличается от скорости звука
для остального объема так, что отношение С/2а для выделенной
структуры имеет ту же численную величину, что и для всего
поглощающего электромагнитную энергию объема в целом.
Анализ литературных данных показывает, что в качестве
структуры, отвечающей одному из тех требований, могут быть
выделены, по крайней мере, три анатомические структуры чере-
па — улитка органа слуха, лобные пазухи и мастоиды. Улитка
характеризуется переменным значением модуля упругости по дли-
не. Учитывая, что скорость звука определяется соотношением
C = (где ц — модуль упругости, р — плотность) и что подат-
ливость мембраны улитки (величина, обратная модулю упругос-
ти) вдоль ее длины меняется в 100—1000 раз [28], можно
в пределах довольно малого размера улитки органа слуха (длина
порядка 35 мм) получить точки со значением скорости звука,
резко отличающимся от значения этой же величины для тканей
мозга. Если в качестве второго резонатора рассматривать некие
воздушные полости (в воздухе скорость звука почти в 4 раза
меньше, чем для биологических тканей—0,33• 105 см-с-1), то
при равных резонансных частотах головы взрослого человека
и воздушной полости радиус полости составит примерно 2,2 см,
что близко к размеру как лобных пазух, так и мастоида [2].
Рассмотрим улитку как возможный второй резонатор, прини-
мающий участие в формировании слухового ощущения при облу-
88
чении головы человека импульсами СВЧ. Из современных предс-
тавлений об амплитудно-частотных свойствах улитки органа слу-
ха следует, что при подаче на нее моночастотного сигнала точка
локализации смещения обладает характеристической частотой,
а отклик самой точки локализации смещения позволяет предста-
вить ее в качестве колебательного контура.
Представления о процессах распространения волны давления
в улитке органа слуха достаточно полно освещены в многочислен-
ной литературе. Нас будет интересовать в данном случае постулат
современной теории слуха — каждая точка улитки органа слуха
при ее возбуждении переменным давлением эквивалентна колеба-
тельному контуру и имеет АЧХ, подобную АЧХ одиночного конту-
ра. Используя это положение, можно рассматривать в качестве
второго колебательного контура, принимающего участие в форми-
ровании слухового образа при облучении головы человека им-
пульсами СВЧ, улитку органа слуха с точками локализации
смещения, обладающими характеристическими частотами fi и f2.
При близких значениях импедансов тканей черепа и улитки орга-
на слуха (импедансы тканей биологических объектов разнятся на
84-12%) [109, 146] волна давления, возбужденная импульсом
СВЧ в тканях черепа, без особых искажений достигнет улитки.
Таким образом, можно считать, что ткани черепа, в совокупности
представляющие первый резонатор, и область улитки органа
слуха, откликающаяся на периодическую волну давления как
второй резонатор, достаточно сильно связаны. Если это так, то
в соответствии с физическими законами, имеющими место в двух-
контурной резонансной системе, суммарная АЧХ также должна
иметь вид двугорбой кривой.
Поскольку улитка органа слуха является последним звеном,
передающим и формирующим смещение с определенными ампли-
тудно-частотными свойствами, т.е. местом точек съема информа-
ции, мы должны предположить в случае возбуждения в тканях
черепа ударных акустических волн, наличие двух точек локализа-
ции смещений. При этом получаем максимум передачи сигнала на
частотах связи и /2, возникающих в двух точках локализации
смещений, и минимум коэффициента передачи сигнала на частоте
возбуждения улитки fp, т.е. на частоте возбужденных в тканях
черепа ударных колебаний.
По данным [166], добротность амплитудно-частотных характе-
ристик улитковой перегородки изменяется в пределах 1—6 при
перемещении точки наблюдения от апикальной к базальной части
улитки. Если принять предлагаемый в [143] диапазон возможных
значений частоты резонанса головы, то, построив график линей-
ной зависимости добротности точек локализации смещений от
частоты, получаем, что эквивалентный контур улитки органа слу-
ха в этом диапазоне частот будет иметь добротность порядка 2,5.
Условия существования двух максимумов на АЧХ связанных
89
контуров, их положение на оси частот и амплитуда определяются
добротностью контуров и коэффициентом связи. Положение мак-
симумов на оси частот определяется соотношением (40]:

_,/2
2№ \ Q, “r Q./J J
где К — фактический коэффициент связи, Ккр— критический ко-
эффициент связи, определяемый соотношением Ккр =—====.<
yQi 'Q2
и Q2— добротности контуров. При малых добротностях
Qi
f — Jp
11 "~Т7ГТ
f 2
Jp
л/1-К
[40].
При значениях =5,5 кГц, f2= 11,3 кГц и fp = 7,4 кГц, полу-
ченных из пороговой кривой радиозвука, значение коэффициента
связи близко к 0,6. Определив значение Ккр (Ккр =0,46), получаем
условие К>Ккр. Приведенная оценка величин добротностей кон-
туров и их коэффициента связи возможна лишь при определенных
допущениях и отражает формальную сторону явлений, необходи-
мую для демонстрации предлагаемого здесь методического подхо-
да к изучению механизма этих явлений. Отсутствие окончательно
сформировавшихся представлений о механизмах слуха не позво-
ляет проводить полный расчет эквивалентных параметров таких
контуров. Так, по современным представлениям упругость основ-
ной мембраны вдоль ее длины может меняться в пределах
102—103, что приводит к изменению скорости звука от 10 до 30
раз. Но именно эта величина определяет импеданс улитки и,
соответственно, коэффициент ее связи с остальными тканевыми
структурами. С другой стороны, при малых значениях добротнос-
тей эквивалентных контуров изменение этих величин в несколько
раз практически не приводит к существенному изменению отноше-
ний частот связи к частоте резонанса.
Ранее нами рассматривались условия, которым должна отве-
чать некая структура, входящая в общий объем тканей черепа,
для того, чтобы она могла играть роль второго резонатора.
Поэтому вполне возможно допущение, что в качестве второго
резонансного контура может служить некая полость или образо-
вание внутри черепа с плотностью, отличающейся от плотности
основной массы тканей. Поскольку значения скорости звука для
разных биологических тканей отличаются не более чем на
10-4-15%, остается предположить, что в качестве второго резона-
тора может выступать какая-либо воздушная полость внутри
черепа. При этом радиус ее из условия fp=C/2a должен состав-
лять величину порядка 2—3 см. Таким образом, в качестве второ-
го резонатора можно считать лобные пазухи или мастоид, а
улитке отвести роль приемника результирующего акустического
90
улитке отвести роль приемни-
ка результирующего акусти-
ческого сигнала. Если учесть,
что затухание звука в воздухе
меньше, чем в тканях, что
приведет к большей доброт-
ности второго резонатора,
станет более понятной и асим-
метрия амплитуд частотных
максимумов на пороговой
кривой радиозвука относи-
тельно частоты резонанса.
При большей добротности
второго резонатора амплиту-
Рис. 48. АЧХ параллельного и после-
довательного резонансных контуров, со-
единенных параллельно, и их суммарная
АЧХ. 1 — АЧХ последовательного резо-
нансного контура; 2 — АЧХ параллель-
ного резонансного контура; 3 — суммар-
ная АЧХ
да низкочастотного максиму-
ма всегда меньше, чем высо-
кочастотного [40].
Поскольку улитка органа
слуха, как уже говорилось яв-
ляется последней структурой,
осуществляющей механичес-
кую частотную селекцию, то
именно ее параметрами в ко-
нечном итоге будет опреде-
ляться характер возбуждаемого слухового образа. Поэтому вы-
бор второго эквивалентного контура не является принципиаль-
ным, как с точки зрения предлагаемой модели, так и с точки
зрения представления физической стороны этого вопроса.
Качественно близкий аналог пороговой кривой может быть
получен параллельным соединением двух резонансных колеба-
тельных контуров — параллельного и последовательного. На
рис. 48 показаны АЧХ этих контуров и суммарная АЧХ системы
двух этих контуров. Однако в оригинале мы не смогли найти
структуру, способную реагировать на внешний сигнал подобным
образом, и данный вариант формирования АЧХ мы не рас-
сматриваем.
В связи с малыми величинами добротностей первого и второго
контуров необходимо рассмотреть еще один вопрос, касающийся
резонансных контуров. Известно [8, 20], что частота резонанса
одиночного контура определяется соотношением:
fр = f— Tq7”
Из этого соотношения следует, что чем меньше добротность кон-
тура, тем больше будет разница между частотой резонанса и
частотой собственных колебаний контура. Подставив сюда значе-
ния добротностей контуров рассмотренной модели, равные 1,8
91
и 2,5, получаем величину расстройки для каждого из контуров от
расчетной величины:
Af = 0,96—для первого контура;
Af = 0,98—для второго контура.
Поскольку расстройка первого контура больше, а его добротность
меньше, чем у второго контура, низкочастотный максимум на
пороговой кривой радиозвука существенно меньше [40].
§ 2. Обоснование выбора структуры модели
Итак, с помощью двухконтурной резонансной модели можно
достаточно полно описывать пороговую кривую радиозвука. Од-
нако сама по себе система двух колебательных контуров с коэф-
фициентом связи больше критического не отражает всего меха-
низма формирования радиозвука.
Выше мы уже рассматривали вопрос, касающийся непосредст-
венного воздействия СВЧ излучения на нейронные структуры.
Выводы, сделанные в результате этого рассмотрения, позволяют
нам ограничиваться частотно-избирательными свойствами физи-
ческой модели, адекватными таковым для периферийных органов
слуха. По данным [20, 27], основной вклад в обеспечение частот-
ной селекции сигналов на периферии слуховой системы вносят
механизмы улитки.
Таким образом, в основу физической двухконтурной модели
взяты следующие положения, отражающие отдельные механизмы
всего эффекта радиозвука в целом:
1. В основе радиозвука лежит резонансное возбуждение акус-
тических колебаний в тканях мозга за счет их термоупругого
расширения при поглощении энергии импульса СВЧ-излучения
(термоэластическая концепция Дж.Лина).
2. Амплитудно-частотные характеристики воспринимаемого ра-
диозвука определяются амплитудно-частотными характеристика-
ми периферии слуховой системы и резонансными свойствами ана-
томических структур головы.
Исходя из этих положений, попытаемся сформулировать основ-
ные требования, которым должна отвечать физическая модель.
Выбор модели какого-либо объекта или явления опирается на
некоторое количество положений,* характеризующих данный объ-
ект [12]. Попытаемся выделить те из них, учет которых позволит
разработать физическую модель, максимально отображающую
оригинал, т.е. натурный эксперимент по радиозвуку.
Примем следующие положения:
I. Возможность использования различных элементов при кон-
струировании разных элементов модели.
2. Адекватность терминов описания объекта и модели.
3. Высокая степень существенности возможно большего коли-
чества общих свойств модели и оригинала.
92
4. Логическое соответствие элементов и отношений модели
элементам и отношениям оригинала.
Из современных представлений об АЧХ улитки органа слуха
[28, 32, 116, 155] следует, что при подаче на нее моночастотного
сигнала резонансная кривая в точке локализации смещений имеет
резко асимметричную форму относительно частоты резонанса. По
данным [119, 154], цитируемым в [28], амплитудно-частотная
характеристика имеет крутизну спада в сторону высоких частот
90ч-150 дБ-окт"1 для характеристических частот 5—7 кГц, кру-
тизна подъема характеристик составляет в области низких частот
около 6 дБ-окт"1, а вблизи р1езонанса достигает 12 дБ.окт"1.
Если рассматриваемая частота сигнала является предельной, то,
видимо, крутой спад резонансной кривой в сторону высоких час-
тот можно рассматривать как высокочастотную границу.
В [28] указывается, что добротность колебательной системы,
формирующей возбуждающее воздействие на рассматриваемый
нейрон, равна 7—10 и, по экспериментальным данным [129],
рассматриваемая крутизна спадов амплитудно-частотной харак-
теристики монотонно растет с увеличением характеристической
частоты.
На изменение крутизны спадов в сторону высоких частот при
изменении характеристической частоты указывается также в
[177], причем здесь диапазон этих изменений лей<ит в пределах
60—245 дБ*окт"1.
Таким образом, обострение АЧХ происходит как на улитке, так
и в механизме формирования возбуждающего действия на ней-
рон. Дополнительное обострение АЧХ происходит также при силь-
ной связи контуров. Кстати, в технических устройствах система
связанных контуров позволяет разрешать противоречие, возника-
ющее при передаче некоторой полосы частот — наличие высокой
крутизны скатов, т.е. высокая добротность, при широкой полосе
пропускания.
Поскольку указанные механизмы обострения выполняют одну
и ту же функцию, не влияя на другие параметры сигнала, в
модели можно ограничиться одним функциональным блоком
обострения АЧХ. Исключение будет составлять блок, формирую-
щий спад верхней границы АЧХ, который должен обеспечивать
возможность плавной установки частоты среза верхней границы
диапазона передаваемого сигнала.
Подъем и спад температуры тканей при импульсном облучении
головы человека, т.е. формирование фронтов теплового импульса,
не может происходить за времена, равные длительности переднего
и заднего фронтов облучающего импульса, ввиду конечной вели-
чины теплоемкости ткани. Между тем амплитуда возбужденных
в контуре колебаний сильно зависит от параметров возбуждаю-
щего импульса. В связи с этим модель должна содержать также
93
блок, выполняющий функцию затягивания фронтов импульса,
возбуждающего колебания в модели, т.е. интегратор.
Наконец, чтозы модель радиозвука позволяла осуществлять
постановку эксперимента по выявлению полосы воспринимаемых
человеком частот методом нулевых биений, она должна содер-
жать следующие основные функциональные блоки, отражающие
механизмы всего явления в целом:
1. Систему связанных колебательных контуров с коэффицентом
связи выше критической. 2. Интегратор. 3. Систему обострения
АЧХ. 4. Фильтр нижких частот с регулируемой верхней частотой
среза (ФНЧ). 5. Фильтр нижних частот с АЧХ среднего уха. 6.
Устройство индикации выходного сигнала.
Перечисленные пункты позволяют представить модель лишь
в общем виде. Для ее конкретизации необходимо перейти к
возможным техническим реализациям. На основе положений, за-
ложенных в физическую модель радиозвука, нетрудно прийти
к выводу, что для максимального приближения этой модели
к оригиналу колебательные контуры должны иметь геометричес-
кое подобие с анатомическим строением оригинала. Однако это
может привести к существенным осложнениям при конструирова-
нии такой модели и вряд ли будет оправдано. Результаты, полу-
ченные в экспериментах со сферическими моделями с учетом
рассмотренных выше оценок добротностей первого и второго кон-
туров, говорят о том, что в качестве модели можно предложить
систему двух сфер, полости которых соединяются через общее
отверстие в стенках сфер. Размеры сфер выбираются из расчета
равенства их резонансных частот при .заполнении сфер жид-
костью. При этом одна из сфер должна быть заполнена поглоща-
ющей электромагнитную энергию жидкостью для обеспечения
возможности возбуждения в ней механических колебаний импуль-
сами СВЧ. Вторая сфера заполняется неполярной жидкостью или
воздухом. При размере первой сферы, равной размеру головы
человека, объем полярной жидкости составляет примерно 3 л. По
данным [42], для возбуждения достаточно интенсивных акусти-
ческих колебаний в этаноле величина удельно-поглощенной мощ-
ности (УПМ) в импульсе должна составлять 1,0Вт«см~3, т.е.
суммарная поглощаемая мощность в импульсе составит 3,0 кВт.
Подбор необходимых парметров сферической модели при таких
условиях облучения представляет известные трудности. Поэтому
сферическую модель целесообразно заменить электрической с
сохранением передаточной функции для того, чтобы, получив
основные закономерности и убедившись в правильности предпо-
сылок, перейти к сферической жидкостной модели.
Таким образом, в качестве физической электрической модели
нами выбрана система двух связгяных радиотехнических конту-
ров, содержащих емкость и индуктивность. Потери в реальной
94
системе представлены последовательным резонансным контуром,
имеющим на частоте резонанса минимальное сопротивление.
§ 3. Техническая реализация электрической двухконтурной модели
В соответствии с описанной выше структурой модели рассмот-
рим ее техническую реализацию, в первую очередь систему свя-
занных контуров. В моделях улитки [28] каждая точка основной
мембраны имитируется независимым контуром. В первых моделях
возбуждение контуров осуществлялось параллельно. Модель от-
личалась простотой, однако некоторые ее недостатки, связанные
с необходимостью применения контуров с низкой добротностью,
заставили исследователей искать новые структурные схемы моде-
лей. Наибольшее распространение получили модели в виде длин-
ных неоднородных линий, состоящих либо из отдельных звеньев
и получивших название цепочечных, либо представляющих собой
неоднородную линию, построенную на элементах с распределен-
ными параметрами. Как правило, все модели учитывают не только
частотно-избирательные свойства оригинала, но и потери, неиз-
бежно присутствующие в оригинале и обусловленные рассеянием
части энергии волны давления при ее распространении вдоль
улитки.
Модели улитки, характеристики этих моделей и их математи-
ческий аппарат даются в [28], где можно найти основные исход-
ные положения, составляющие основу той или иной модели. Наша
задача по выбору и реализации основного звена модели радиозву-
ка существенно упрощается, так как в соответствии с рассмотрен-
ным выше возможным механизмом формирования слухового об-
раза при облучениц головы человека импульсами СВЧ нам необ-
ходима имитация всего лишь одной точки основной мембраны и ее
связь с первым резонатором. Анализ электрических схем моделей
улитки показал, что традиционная схема последовательного резо-
нансного контура в качестве отдельного звена не является опти-
мальной в случае моделирования возбуждения одной точки улит-
ки органа слуха. Поэтому нами выбрана система двух параллель-
ных резонансных контуров с емкостной связью настроенных на
частоту резонанса, определяемую из пороговой кривой радиозву-
ка. На эту же частоту настроен последовательный резонансный
контур, имитирующий потери при распространении волны давле-
ния в улитке и включенный параллельно первым двум контурам.
Расчет контуров проведен в соответствии с величинами доброт-
ностей улитки и тканей черепа.
На рис. 49 показана схема двухконтурной модели для реализа-
ции АЧХ, качественно совпадающей с пороговой кривой радио-
звука, с учетом потерь в улитке, на рис. 50 приводятся АЧХ этой
схемы в режиме ударного возбуждения импульсами длитель-
ностью-15 мкс для двух различных верхних границ среза ФНЧ1 —
14 кГц (А) и 17 кГц (Б) и в режиме тонального сигнала (В). Для
95
демонстрации аналогии с
результатами натурных экс-
периментов на графиках А
и Б пунктиром указаны кри-
вые уровня громкости радио-
звука. Количественное сов-
падение АЧХ системы двух
связанных контуров с поро-
говой кривой радиозвука
достигается применением
схемы обострения.
Из литературных данных
следует, что эквивалентная
добротность резонансных
кривых отдельных точек основной мембраны улитки весьма низ-
кая — порядка единиц. В то Же время психоакустические исследо-
вания указывают на весьма высокую избирательность органа
слуха человека и млекопитающих. Гипотезы обострения по приро-
де физических механизмов делятся на две группы. К первой
относятся гипотезы о механической природе процесса обострения
частотных характеристик,- предполагающие линейный характер
обострения. Вторая группа гипотез объясняет процесс обострения
резонансных кривых механизмами обработки информации в ней-
ронной сети. В этих гипотезах используются представления как
о линейном, так и о нелинейном характере процессов передачи
сигналов через нервные элементы. Общим для всех гипотез прин-
ципом является обострение за счет сравнения интенсивностей
колебаний соседних точек основной мембраны [19, 20]. Посколь-
ку в рассматриваемой здесь модели используется лишь одна
точка основной мембраны, обострение может происходить не
путем сравнения, а абсолютно: т.е. для обострения АЧХ модели
в данном случае можно отказаться от традиционного метода
обострения путем применения схем выделения второй, третьей
и т.д. разности сигналов соседних точек основной мембраны. Из
этих двух пунктов следует, что в нашей модели обострение АЧХ
должно быть линейным, реализуемым с помощью любого узкопо-
лосного устройства с параметрами, определяемыми пороговой
кривой радиозвука. Обострение АЧХ двухконтурной схемы до
величин, определяющих крутизну скатов точек локализации сме-
щений улитки и скатов пороговой кривой радиозвука, достигается
применением двух функциональных блоков. Первый из них
(рис. 51) является заградительным фильтром, настроенным на
частоту резонанса, и содержит операционный усилитель с двой-
ным Т-образным мостом в цепи обратной связи. С помощью этого
блока возможно повысить до необходимой величины крутизну
скатов частотных максимумов АЧХ модели вблизи частоты резо-
нанса. Обострение ската АЧХ в сторону верхних частот достигает-
ся применением фильтра нижних частот (ФНЧ1) с изменяемой
96
дБ А
2 6 10 ’ 14
Частота следования
импульсов, кГц
Рис. 50. АЧХ двухконтурной резонанс-
ной модели. А, Б — режим ударного воз-
буждения, В — режим тонального сигна-
ла. 1— частота среза 17 кГц, 2— частота
среза 14 кГц
верхней границей частоты среза. ФНЧ1 состоит из 6 одинаковых
ячеек, включенных последовательно. Затухание, обеспечиваемое
одной ячейкой на выставленной частоте среза в диапазоне 7—
20 кГц, составляет 12дБ/окт.
На рис. 52 приводится принципиальная схема одной ячейки
ФНЧь Функциональный блок для формирования необходимого
частотного спектра при подаче, на его вход импульса прямоуголь-
ной формы представляет собой несколько последовательно вклю-
ченных интегрирующих цепочек с постоянной времени, много
большей 54-25 мкс. Для согласования этого блока с низким
входным сопротивлением двухконтурной системы на его входе
включен повторитель на полевом транзисторе (рис. 53). Для обес-
печения согласования модели с источником тонального сигнала
с целью применения метода нулевых биений модель снабжена
97
Рис. 51. Принципиальная схема системы
обострения АЧХ двухконтурной модели
блоком, имитирующим
АЧХ слухового тракта на
уровне среднего уха
(рис. 54). Этот блок пост-
роен на базе модели Фла-
нагана [19] для среднего
уха и представляет собой
фильтр нижних частот
(ФНЧг) с частотой среза,
равной 4 кГц. Индикация
выходного сигнала моде-
ли осуществляется на эк-
ране осциллографа. Про-
Рис. 52. Принципиальная схема ячейки ФНЧ\ (блок для регулирования
верхней границы частотного диапазона)
слущивание обеспечивается излучателем 4ГД-8Е после предва-
рительного усиления сигнала по мощности.
§4. Экспериментальная проверка двухконтурной резонансной
модели
На рис. 55 представлена блок-схема электрической модели.
Полностью собранная электрическая модель проверялась в режи-
мах воздействия тонального сигнала в полосе частот 14-18 кГц
и импульсной последовательности в пределах 1 —18 кГц с дли-
тельностью импульсов в пределах 5—25 мкс. Отдельно на частоте
следования импульсов 800 Гц и длительности импульсов 100—
140 мкс проверялась возможность получения аналогии «низкочас-
тотного типа» радиозвука. Максимальная крутизна скатов высо-
кочастотной области достигает 72 дБ/окт, что находится в преде-
лах измеренных значений для крутизны резонансных кривых то-
чек локализации смещений улитки [28]. Сигнал на выходе элект-
рической модели в режиме ударного возбуждения оценивался по
98
Рис. 53 Принципиальная схема
блока интегрирования модели
Рис. 54. Принципиальная схема
модели среднего уха (ФНЧ2)
-12В
шкале экрана осциллографа и по восприятию «на слух». Так же,
как и в натурном эксперименте, отмечен сложный состав сигнала
в области частот 1—7 кГц. При этом на экране осциллографа
наблюдался сигнал, содержащий как частоту, равную частоте
возбуждающих импульсов (в виде огибающей), так и частоты,
выделяемые АЧХ контуров. «На слух» наблюдаемый сигнал экви-
валентен слуховому ощущению в натурных экспериментах по
радиозвуку — субъективно воспринимается в виде высокочастот-
ного «звона» и «жужжания». Таким образом, в области частот до
7—8 кГц сигнал на выходе модели имеет политональный харак-
тер. Подавление сигнала на частоте резонанса (резонансная час-
тота выбрана равной 7,4 кГц)
Рис. 55. Блок-схема электрической
модели: 1 — фильтр низкой частоты
(ФНЧ2), 2 — интегрирующая цепь,
3 — двухконтурная резонансная систе-
ма, 4 — система обострения, 5 —
фильтр низкой частоты (ФНЧ\), 6 —
усилитель мощности, 7 — осциллог-
раф, 8 — электродинамический излу-
чатель
порядка 40 дБ.
В области частот 8—18 кГц
отмечается монотональный ха-
рактер наблюдаемого выходного
сигнала. На экране осциллогра-
фа при этом наблюдается плав-
ное изменение частоты синусои-
дального сигнала синхронно с
изменением частоты следования
возбуждающих импульсов. При
субъективной оценке «на слух»
при прослушивании выходного
сигнала модели также отмечает-
ся плавное изменение частоты
выходного сигнала с изменением
частоты возбуждающих импуль-
сов. Таким образом, моното-
99
3 4
Рис. 56. Спектры выходного сигнала двухконтурной электрической модели при
различной частоте следования импульсов. Длительность импульсов 15 мкс. /—
1 кГц; 2—5,5 кГц, 3—7,4 кГц; 4—11 кГц
нальность сигнала в области частот свыше 8—10 кГц и здесь
подчеркивает схожесть оригинала и модели.
На рис. 56 приводятся спектрограммы выходного сигнала моде-
ли, полученные экспериментальным путем при возбуждении моде-
ли прямоугольными импульсами. Для селекции компонент слож-
ного сигнала применялись селективный микровольтметр В6-9,
вольтметр ВЗ-ЗЗ и частотомер 43-34. Полученный эксперимен-
тальный материал позволяет объективно наблюдать изменение
спектрального состава сигнала. На рис. 56(1—4) приводятся
спектры частот следования в дорезонансной области ((1)—1кГц),
первой частоты связи ((2)—5,5 кГц), частоты резонанса ((3) —
7,4 кГц) и второй частоты связи ((4) —11 кГц). При этом дли-
тельность возбуждающих модель импульсов везде одинакова и
равна 15 мкс.
Анализ этих спектрограмм позволяет понять некоторые особен-
ности радиозвука, отмечаемые испытуемыми в натурном экспери-
менте. Представленные здесь спектры наглядно демонстрируют
достаточно сложный характер регистрируемого сигнала (отмечае-
мого и в натурном эксперименте). Спектр сигнала на рис. 56(2)
позволяет понять субъективную оценку испытуемыми высоты тона
100
Рис 57. Спектры выходного сигнала двухконтурной электрической модели для
двух значений длительности импульсов Частота следования импульсов 2 кГц:
а — длительность импульсов 15 мкс, б — длительность импульсов 135 мкс
при частотах следования импульсов СВЧ порядка 5—5,5 кГц.
Ввиду более низкого значения порога на частотах 10—И кГц
вторая гармоника частоты следования воспринимается человеком
существенно лучше, чем первая (разница в уровнях порогов на
5,5 и 11,0 кГц на пороговой кривой составляет 4 дБ), что и было
отмечено в натурном эксперименте. На частоте следования им-
пульсов, равной частоте резонанса системы, также отмечается
резкое понижение амплитуды регистрируемого сигнала (область
повышенных значений порога). Причем в натурном эксперименте
испытуемый, имеющий высокочастотную границу слуха (свыше
МкГц), воспринимает сложный сигнал, состоящий из двух час-
тот—7,4 и 14,8 кГц. При этом, ввиду более низкого значения
порога на 14,8 кГц по сравнению с частотой 7,4 кГц (минимум-до
6 дБ на пороговой кривой радиозвука), испытуемый субъективно
воспринимает более высокочастотный сигнал.
На частотах следования импульсов, лежащих выше второй
частоты связи системы, сигнал становится монотональным, его
физический спектр соответствует первой гармонике частоты сле-
дования импульсов, что в натурном эксперименте приводит к
соответствию высоты тона воспринимаемого радиозвука частоте
следования импульсов СВЧ.
Как указывалось выше, уже на первых физических одноконтур-
ных моделях была продемонстрирована возможность получения
аналогов обоих «типов» радиозвука — низкочастотного и высоко-
частотного при изменении длительности СВЧ импульса. На
рис. 57(а и б) представлены спектры выходного сигнала электри-
ческой модели при ее возбуждении прямоугольными импульсами
разной длительности при одинаковой частоте следования. Сравне-
ние этих спектров со всей очевидностью показывает, что ощуще-
ние низкочастотного типа, возникающее в натурных эксперимен-
тах при длительностях импульсов порядка 100—140 мкс, объясня-
101
n
JJ JJJJJJJ J J1JJ JJ JJ J. J JJJ JFJI] J J J J J J
Puc. 58 Формы, звуковых волн (заимствовано из /56])
ется перераспределением интенсивностей спектральных компонент
механических колебаний, а не проявлением некоего другого меха-
низма действия ЭМИ, отличного от наблюдаемого при действии
коротких импульсов [50]
Представляло интерес сравнение данных натурного экспери-
мента, полученных путем субъективной оценки, и сигнала на
выходе модели методом нулевых биений. С этой целью, по анало-
гии с натурным экспериментом, на вход модели одновременно
с возбуждающими импульсами подавали, тональный сигнал. В
этом эксперименте, в отличие от натурного, биения наблюдались
не только на частотах тонального сигнала, являющихся обертона-
ми частоты следования импульсов, но и на частоте, равной часто-
те следования импульсов вплоть до 100 Гц. При этом отмечено,
что при заданной более высокой частоте тонального сигнала
значение амплитуды частоты биений (интенсивность) повышается
пропорционально увеличению частоты следования возбуждающих
импульсов.
Отмеченная отличительная черта модели требует разъяснения,
так как одним из основных вопросов, касающихся явления радио-
звука, является отсутствие нулевых биений между первой гармо-
никой частоты следования импульсов СВЧ и частотой тонального
акустического сигнала в натурных экспериментах в полосе частот
следования импульсов 1—7 кГц. Для объяснения этого несоот-
ветствия обратимся к некоторым физиологическим особенностям
слуха. Схоутеном [157—159] было высказано предположение
о том, что восприятие высоты периодических звуков с отсутствую-
щей первой гармоникой может быть объяснено с помощью меха-
низма измерения периода колебания звуковой волны. Согласно
гипотезе Схоутена слуховую систему следует рассматривать не
как чисто спектральный, а как спектрально-временной анализа-
тор, в котором наряду с разложением в ряд Фурье осуществляет-
ся анализ временной формы возбуждающих колебаний. Звук,
102
Рис 59. Осциллограмма отклика авухконтурной электрической модели на
одиночный импульс разной длительности 1—длительность импульса 50 мкс;
2—длительность импульса 100 мкс. Скорость развертки 200 мкс/см
соответствующий не содержащейся в сигнале первой гармонике,
Схоутен назвал резидуальным. Гипотеза Схоутена подтверждает-
ся нейрофизиологическими наблюдениями вплоть до частот по-
рядка 3—5 кГц [56]. На рис. 58 представлены некоторые формы
звуковой волны сигналов, восприятие высоты тона которых не
поддается объяснению с точки зрения спектрального анализа, так
как они не содержат компонент с частотой, соответствующей
высоте воспринимаемого тона [56]. С точки зрения восприятия,
все три типа сигналов обладают одной и той же высотой, несмот-
ря на то, что спектры этих звуков существенно отличаются друг
от друга. Экспериментально было показано, что в первом случае
(А) высота соответствует частоте следования импульсов 1 /Тои
[65], во втором (Б)—частоте модуляции 1 /Том [59], в третьем
(В)—частоте прерываний шума 1/Тош [60]. При этом физичес-
кие спектры этих звуков не содержат компонент, соответствую-
щих указанным частотам. Основным свойством, определяющим
восприятие их высоты, являются периодические изменения ампли-
туды звуковой волны. Сравнение осциллограмм возбужденных
в жидкости механических колебаний импульсами СВЧ (см.
рис. 33) и затухающих колебаний на выходе электрической моде-
ли, возбуждаемой импульсами напряжения (рис. 59), с приводи-
мыми здесь из [56] на рис. 58 показывает, что в данном случае их
спектральные характеристики близки и также не содержат первой
гармоники. Однако, как уже говорилось, в отличие от натурного
эксперимента модель позволяет регистрировать отсутствующую
компоненту (частоту следования импульсов) методом биений.
Если бы речь шла о восприятии обычного акустического сигна-
ла, можно было бы сразу предположить наличие артефакта в
эксперименте на электрической модели, поскольку в этом случае
биения обязательно должны были бы иметь место. И хотя концеп-
103
ция нашей модели предполагает отсутствие структур, ответствен-
ных за обработку сигнала в формировании эффекта радиозвука,
тем не менее однозначного вывода здесь делать нельзя. Нам
представляется в связи с этим возможной следующая трактовка
полученных результатов.
Предложенная двухконтурная резонансная модель достаточно
полно отражает структурное строение слуха и в соответствии
с имеющимися аналогами выделяет отсутствующую в сигнале
первую гармонику, не вступая тем самым в противоречие с физио-
логическими и нейрофизиологическими данными. Если это так, то
отсутствие резидуального звука в области частот 1—7 кГц в
натурном эксперименте, отмеченное испытуемыми, видимо можно
объяснить следующими причинами:
1. Недостаточным вниманием испытуемых во время экспери-
мента по выявлению наличия биений на низких частотах.
2. Высоким уровнем шума в помещении, где проводился натур-
ный эксперимент.
3. Малой амплитудой сигнала частоты биений по среднему
уровню на низких частотах следования импульсов СВЧ.
4. Несоответствием в модели и в натурном эксперименте пере-
даточных функций при возбуждении модели и оригинала импуль-
сом внешнего воздействия, что в результате должно приводить
к различному спектральному составу сигнала, поступающего на
регистрирующую систему. Такая ситуация в принципе возможна,
если критическая полоса оригинала меньше величины f — F (где
f — частота резонансных колебаний, F — частота модуляции), а
в модели — больше.
Поданным [170], уровень шума в помещении, где проводился
натурный эксперимент, составил 40 дБ на частоте 1 кГц. Вместе
с тем, по данным Дж.Лина [143], при близких значениях плотнос-
ти энергии в импульсе, смещение тканей головы человека имеет
порядок 10~11 см, что обеспечивает давление порядка
10-2 дин-см-2 на частоте сигнала 1 кГц, т.е. сравнимое с давле-
нием, вызываемым уровнем шума.
Попытка исключить резидуальный звук (при приеме «на слух»)
в модели путем изменения спектрального состава сигнала вариа-
цией параметров интегрирующего блока не привела к ощутимым
результатам. Поскольку во всем остальном модель описывает
натурный эксперимент, то с учетом сравнимости уровня шума
в помещении и субъективно воспринимаемого в натурном экспери-
менте слухового ощущения и физиологических особенностей
спектрально-временного анализа сигналов механизмами слуха мы
пришли к выводу, что резидуальный звук в области частот 1 —
7 кГц в натурном эксперименте должен присутствовать. Таким
образом, возникла необходимость постановки натурного экспери-
мента либо при пониженном уровне внешнего шума, либо при
повышении плотности энергии СВЧ в импульсе. Кроме того, из
104
рассматриваемой двухконтурной модели следовало, что при воз-
действии на ткани головы другим внешним физическим фактором,
способным приводить к возбуждению волн давления, должно
формироваться аналогичное слуховое ощущение, т.е. данная мо-
дель должна «работать» и при возбуждении костей и мягких
тканей черепа обычным акустическим сигналом такой же формы
и интенсивности, что и волны давления, возбуждаемые импульса-
ми СВЧ. Результаты такой проверки могли бы уже рассматри-
ваться как окончательные в пользу той или иной концепции.
Полученные на электрической двухконтурной модели радиозву-
ка результаты определили необходимость экспериментальной про-
верки следующих положений:
1. Частота механического резонанса головы, как одиночного
контура двухконтурной резонансной системы должна находиться
в области максимального порога на пороговой кривой радиозву-
ка, т.е. в районе 7,5—8 кГц, и при скорости звука в тканях
порядка 1,44-105 см-с-1 и радиусе головы порядка 9 см опреде-
ляться соотношением С/2а. При этом добротность головы как
резонатора оценивается величиной порядка 2.
2. Нулевые биения в натурном эксперименте между первой
гармоникой частоты следования импульсов ЭМИ и тональным
акустическим сигналом должны наблюдаться во всем диапазоне
звуковых частот.
3. При возбуждении костно-тканевых образований черепа кост-
ным вибратором и одновременной стимуляции акустическим то-
нальным сигналом путем воздушной проводимости должны иметь
место аналоги радиозвука по слуховому восприятию.
ГЛАВА VII. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАБОЧЕЙ
ГИПОТЕЗЫ
§ 1. Спектральный анализ сферических моделей радиозвука
Практический интерес представляет спектральный анализ воз-
бужденных механических колебаний в сферических резонаторах
с низкой добротностью. В качестве сферических моделей исполь-
зованы стеклянные круглодонные колбы диаметром 105 и 120 мм,
оклееные снаружи пористой резиной толщиной 10 мм, и пластико-
вая сфера диаметром 120 мм с толщиной оболочки порядка 1 мм.
Во всех моделях рабочей жидкостью служил этанол.
Регистрация механических колебаний, возбуждаемых в стек-
лянных моделях, осуществлялась с помощью пьезокерамических
преобразователей диаметром 20 и толщиной 0,5 мм, вклееных
в стенку колбы. Пластиковая сфера устанавливалась на автоном-
ный пьезокерамический приемник. Облучение вели с помощью
открытого торца прямоугольного волновода сечением 10X72 мм2
на частоте несущей 2375 МГц, мощность в импульсе — до 500 Вт.
Частотные спектры возбужденных механических колебаний ре-
гистрировали с помощью анализатора спектров СКЧ-26 с полосой
20 кГц.
На рис. 60—62 приведены записи спектров механических коле-
баний, возбужденных в жидкости импульсным ЭМП. На всех
спектрах хорошо просматривается частота, соответствующая пер-
вой моде колебаний сферы, со свободными границами fp = C/2a
[137, 140], где С — скорость звука в жидкости, а — радиус сфе-
ры, а также другие частоты, которые, по-видимому, можно иден-
тифицировать как моды колебаний, fmny соответствующие сфере
с закрепленными границами, где m — мода (тип) колебаний,
п — номер обертона [23]. Кроме того, в сферах с горлом отчетли-
во просматривается частота, соответствующая резонатору Гельм-
гольца f H=^-pjS/lVy где С — скорость звука в веществе, запол-
няющем резонатор, V — объем резонатора, I и S — высота и
площадь горла резонатора [17], а также частота, близкая по
значению к частоте колебаний столбика жидкости как четверть-
волнового резонатора Fк/4 = С/8а [1]. Наличие других частот
106
2,58 кГц
О 5 10 15
-Частота, кГц
О 1 5
10 15
Частота, кГц
Рис. 60. Спектр механических колебаний, возбуждающихся в стеклянной
сфере диаметром 105 мм. Частота следования импульсов—100 Гц, длитель-
ность —10 мкс
Рис. 61. Спектр механических колебаний, возбуждающихся в стеклянной,
сфере диаметром 120 мм. Частота следования импульсов—100 Гц, длитель-
ность —10 мкс
идентифицировать труднее, однако они вполне могут быть оберто-
нами частот, описанных выше. Нельзя полностью исключать и
возможность существования резонансов оболочек [93, 125].
В табл. 8 приведены все данные по возбуждающимся в сферах
частотам и дана их предположительная идентификация, а также
рассчитанное значение добротности механического резонатора
Q для частоты, соответствующей С/2а. Из таблицы следует, что
нет точных количественных совпадений экспериментальных дан-
ных для реального объекта и конкретной математической модели,
но качественное подобие установить вполне возможно.
Сравнение спектров возбужденных механических колебаний
стеклянных колб, имеющих горло, со спектром колебаний, воз-
буждающихся в пластиковой сфере, не имеющей отверстия, поз-
воляет сделать вывод о том, что частоты, лежащие ниже частоты
fp = C/2a, однозначно обусловлены наличием горла, то есть они
представляют собой частоты резонатора Гельмгольца и четверть-
волнового резонатора, и их обертоны. В этом смысле частота
fp = C/2a является основной для наших моделей. Резонно пола-
гать, как это сделано, напрцмер, в работах [93, 125], что реаль-
107
Таблица 8
Экспериментально зарегистрированные и теоретически рассчитанные значения резонансных частот (в кГц)
для трех сферических моделей
Тип сферической модели Диа- метр, мм Сфера со свободной границей Резонатор Гельмгольца Четвертьволновый столбик жидкости Сфера с закреплен- ной границей До- брот- ность на часто- те ГР 2а
1 1 1 1 1 1 II 2л IV /11 /21 /22
Стеклянная кругло- донная колба со сре- занным до основания горлом и оклеенная пористой резиной толщиной 10 мм 105 Экспери- u g j 95 2,58 мент 16,8 7,07 7,85 — 19
Расчет 11,4 1,75 2,86 16,3 7,5 21,5
Стеклянная кругло- донная колба с горлом высотой 30 мм, окле- енная пористой резиной толщиной 10 мм 120 Экспери- 10 , 15 2,53 мент 13,9 6,3 16,85 17,4 8
Расчет 10 1,43 2,3 14,3 6,6 18,9
Пластиковая сфера с оболочкой толщиной 1 мм 120 Экспери- «с _ _ мент ’ 13,7 — 17,8 78
Расчет 10 - ~ 14,3 6,6 18,9
9,5 кГц
Рис. 62. Спектр механических колеба-
ний, возбуждающихся в пластиковой сфере
диаметром 120 мм. Частота следования им-
пульсов —75 гЦ, длительность —10 мкс
Н-н-t-f-t-H Ним » । |
О 5 10 15 20
Частота, кГц
ный прототип — голова — ближе всего к замкнутой модели с
одинаковыми граничными условиями на всей поверхности, то есть
к пластиковой сфере без отверстий. Это следует еще и из того
факта, что содержимое черепа находится под некоторым избыточ-
ным давлением и поэтому существование каких-либо «отдушин»,
аналогичных горлу в наших моделях, представляется маловероят-
ным. Исходя из этого, все зависимости, важные с точки зрения
аналогии с радиозвуком, снимались для основной частоты.
На рис. 63 приведена зависимость амплитуды основной частоты
колебаний (10 кГц) в стеклянной сфере диаметром 120 мм
(спектр на рис. 61) от частоты следования импульсов длительнос-
ти 10 мкс. На рис. 64 приведена зависимость амплитуды основной
частоты (11,8 кГц) механических колебаний в сферической колбе
диаметром 105 мм (спектр см. на рис. 60) от длительности импуль-
сов при частоте их следования 1,7 кГц. Спектры колебаний, соот-
ветствующие максимумам и минимумам амплитуды основной час-
тоты, при длительностях 40, 80, 120 и 160 мкс приведены на
рис. 65. Эти спектры являются хорошей демонстрацией того, что
в низкодобротной сфере возбуждается целый набор частот меха-
нических колебаний, кратных частоте следования импульсов
ЭМИ. При этом интенсивность той или иной из компонент, их
относительные величины, определяются длительностью импульсов
и перераспределяются при ее изменении.
§2. Натурный эксперимент
Как уже говорилось, результаты, полученные на двухконтурной
109
' 4 8 ' 12 ' 40 ' So ’ l$0
Частота, кГц Длительность импульсов, мкс
Рис. 63. Зависимость амплитуды механических колебаний основной частоты
(10 кГц) в стеклянной сфере диаметром 120 мм от частоты следования импульсов
длительности 10 мкс
Рис. 64. Зависимость амплитуды механических колебаний основной частоты
(11,8 кГц) в стеклянной сфере диаметром 105 мм от длительности импульсов при
частоте следования 1,7 кГц
электрической модели, указывали на необходимость восприятия
низких частот (ниже 8 кГц) ив натурном эксперименте по облуче-
нию головы человека импульсами СВЧ. Причинами, по которым
ранее испытуемыми не были отмечены биения на частотах следо-
вания импульсов в дорезонансной области, могли быть как высо-
кий уровень шума в помещении, где проводился эксперимент, так
и недостаточная мощность импульса СВЧ. Поэтому нами был
поставлен эксперимент по выявлению биений в области частот
1—7 кГц в условиях существенно меньшего уровня шума — по-
рядка 20—25 дБ относительно АПС [48]. Частота несущей —
0,8 ГГц. Для облучения использовался возбудитель (отрезок пря-
моугольного волновода) с поперечным сечением 150X270 мм2,
мощность импульса СВЧ —120 Вт. Таким образом, плотность по-
тока энергии в импульсе составила 0,6 Вт-см-2. Облучалась, как
и в предыдущих экспериментах, теменная область головы, обла-
дающая наиболее низким значением порога7 для возбуждения
слухового ощущения. Длительность импульсов СВЧ выбрана в
пределах 25 мкс. Тональный сигнал испытуемому подавался через
наушники ТДС-8 от генератора ГС-100И. Частота следования
импульсов СВЧ устанавливалась в диапазоне 1—7 кГц. Измене-
ние тонального акустического сигнала также находилось в преде-
лах 1—7 кГц. Частота следования импульсов и частота тонально-
го сигнала контролировались с помощью частотомеров 43-34.
В целях минимизации возможных вредных воздействий на
испытуемых поиск биений велся только в нескольких точках,
специфичных для каждого испытуемого, в которых, при предвари-
тельном прослушивании, радиозвук воспринимался наиболее от-
четливо. После определения такой точки и фиксации частоты
надевались наушники, через которые подавался акустический
сигнал. Его интенсивность и частота подбирались вслепую самими
испытуемыми до появления четко различимых биений. Для перво-
го испытуемого этими частотами явились: 3,58; 4,21; 5,23 и
НО
Рис. 65. Спектры механических колебаний в сфере диаметром 105 мм при частоте следования
6,99 кГц. Для второго испытуемого частоты, на которых прово-
дился поиск нулевых биений, имели значения 4,01, 5,33 и 6,99 кГц.
Третьим испытуемым были отмечены биения с частотами следова-
ния импульсов 3,80, 4,74, 4,97 кГц.
С целью проверки наличия возможного артефакта, заключаю-
щегося в вероятности возбуждения механических колебаний в
металлических деталях наушников при их внесении в зону облуче-
ния, эксперимент проводился и в условиях, когда наушники были
вынесены из зоны облучения на расстояние вытянутой руки.
Биения регистрировались на тех же частотах, как и в первом
случае. Ощущение биений, при надетых на голову наушниках
исчезало, как только испытуемый убирал голову из зоны об-
лучения.
По данным натурного эксперимента можно сделать следующее
заключение. Во-первых, подтвердился вывод о необходимости
наличия нулевых биений с частотами следования импульсов СВЧ
в области, ниже 8 кГц, следовавший из данных, полученных на
двухконтурной электрической модели. Во-вторых, обнаруженные
биения расширяют возможности практического использования
радиозвука. В-третьих, частоты, на которых обнаружены нулевые
биения, соответствуют областям низких значений порога, что
объясняет отсутствие их восприятия при применяемых в наших
экспериментах и ранее плотностях энергии СВЧ в области высоко-
го порога, т.е. на частотах порядка 1—ЗкГц. Тот факт, что
предложенная модель позволила авторам предположить сущест-
вование нулевых биений на частотах дорезонансной области и
обнаружить их в натурном эксперименте, позволяет прийти к
заключению о правильности двухконтурной резонансной модели
и ее структуры.
§ 3. Акустические аналоги радиозвука
В эксперименте при облучении сферических и цилиндрических
моделей, заполненных жидкостью, было показано, что возбужде-
ние как низкочастотных, так и высокочастотных колебаний дости-
гается путем изменения длительности импульсов СВЧ.
Двухконтурная резонансная модель несмотря на большую ана-
логию с оригиналом полностью не снимала вопроса о возможнос-
ти действия СВЧ на структуры обработки сигнала, следующие за
рецепторами, т.е. возникает необходимость в исключении непос-
редственного влияния импульсного СВЧ-излучения на нейронные
структуры. Поскольку в натурном эксперименте подобная ситуа-
ция физически невозможна, импульс СВЧ как возбудитель волны
давления был заменен акустическим сигналом, представляющим
периодические серии затухающих колебаний с частотой в серии,
равной f = C/2a, и частотой их посылок в диапазоне частоты
следования импульсов СВЧ, т.е. в пределах 1 —17 кГц [45].
Эксперименты проводились в таких же условиях, что и аудио-
112
метрия порогов по костному проведению звука, но вместо проти-
вошумовых наушников надевались обычные головные телефоны
типа ТДС-8, с помощью которых прослушивался тональный сиг-
нал. На костный телефон, располагавшийся таким же образом,
что и в предыдущем эксперименте, подавался электрический сиг-
нал, формировавшийся специально разработанным электронным
блоком. Блок представлял собой контур ударного возбуждения
с собственной частотой около 8 кГц и добротностью порядка 2.
Запуск контура осуществлялся импульсами прямоугольной фор-
мы. Частота повторения серий изменялась посредством изменения
частоты следования импульсов с генератора Г5-54. Такой акусти-
ческий сигнал должен возбуждать в костях черепа механические
колебания, подобные таковым при тепловом расширении тканей
головы, поглощающих СВЧ-импульс.
При одновременном прослушивании испытуемыми сигналов от
костного телефона и обычных телефонов, частота следования
ударно-возбужденных акустических колебаний устанавливалась
равной целому числу килогерц в пределах 1 —14. Частота тональ-
ного сигнала могла изменяться во всем звуковом диапазоне.
Испытуемому вначале предъявлялся сигнал с костного телефона,
а затем он сам подбирал интенсивность и частоту тонального
звукового сигнала, подаваемого на обычные телефоны. Всего
в экспериментах участвовало 4 человека.
Разработанная методика одновременного воздействия двух
акустических сигналов путем костной и воздушной проводимостей
позволяла, в первую очередь показать возможность наличия бие-
ний между этими двумя сигналами. В литературе аналогичных
работ нами не найдено. Во-вторых, наличие биений, в случае их
регистрации испытуемыми, могло бы объяснить эффект радиозву-
ка на уровне механизмов внутреннего уха. Правда, можно было
бы предположить, что возможно влияние возбужденных волн
давления непосредственно на структуры кодирования сигнала.
Однако И.А.Вартанян и Е.М.Цирульников [10] отмечают, что при
действии фокусированного ультразвука на структуры среднего
мозга лягушки никаких изменений микрофонных потенциалов
саккулюса не отмечается вплоть до интенсивностей порядка
240 Вт*см-2. Причем регистрировались электрические ответы на
звук до, в процессе и после воздействия ультразвука, сфокусиро-
ванного в зоне тех структур центра, от которых проводилось
отведение электрических реакций на звуковое раздражение. По
данным тех же авторов, активация клеток возможна при интен-
сивностях ультразвука порядка 900 Вт-см-2 в центре фокальной
области, причем для определенных структур. Величина интенсив-
ностей для возбуждения рецепторов слухового лабиринта живот-
ных и человека составляет менее 1 Вт*см-2, для возбуждения
окончаний слухового нерва в условиях повреждения гидроди-
намической системы лабиринта или разрушения рецепторных кле-
113
ток— 80—120Вт-см 2 [10]. Поскольку в натурном эксперимен-
те порядок величины волны давления оценивается
10-2 дин-см-2, то вопрос о непосредственной инициации элект-
рической активности структур мозга механическими колебаниями
может быть снят.
В предварительных экспериментах было установлено, что субъ-
ективно воспринимаемый с костного телефона звук в основных
своих проявлениях сходен с радиозвуком. Если длительность
импульсов меньше 30 мкс, то при частоте следования ниже 8 кГц
воспринимаемый звук политонален с преобладанием высокочас-
тотных компонент, но монотонален при частоте повторения от
8 кГц и до ВЧГС. При увеличении длительности импульсов до
65—70 мкс субъективно ощущаемая громкость политонального
звука нарастает, далее уменьшается и при длительности порядка
120—130 мкс звук воспринимается в виде тона с частотой, соот-
ветствующей частоте следования импульсов (сравни с рис. 10).
Дальнейшее увеличение длительности импульсов приводит к пов-
торению ситуации с периодом в 130 мкс.
Всеми испытуемыми, при одновременном прослушивании сиг-
налов от костного телефона и обычных телефонов, были отмечены
биения на частотах тонального сигнала, как равных частоте
повторения серий ударно-возбужденных колебаний, так и кратных
ей, но меньших ВЧГС. Полученный результат дает основание
полагать, что и в экспериментах по регистрации биений между
радиозвуком и тональным акустическим сигналом первый воспри-
нимался «смесителем» благодаря костному проведению, хотя и не
может считаться доказательством этого. Существенное отличие
полученного результата от натурного эксперимента с радиозвуком
заключается в том, что биения в натурном эксперименте в работе
[170] были зарегистрированы только для частоты тонального
акустического сигнала выше 8 кГц, тогда как в экспериментах по
костному проведению звука биения регистрировались и при более
низких частотах.
Таким образом, показано, что между тональным акустическим
сигналом, подводимым по воздуху, и акустическим сигналом,
в виде серий ударных колебаний, подводимых путем костно-ткане-
вой проводимости, можно зарегистрировать биения при условии,
что частота тонального сигнала равна частоте повторения им-
пульсов или одному из обертонов этой частоты, меньшему ВЧГС,
но без ограничения снизу.
§4. Радиозвук как физическое явление
Предложенная авторами концепция двухконтурной резонанс-
ной системы для объяснения сенсорного акустического эффекта
СВЧ нашла свое подтверждение в рассмотренной электрической
модели. Выходной сигнал двухконтурной резонансной модели с
собственными частотами контуров, близкими к резонансной час-
114
тоте, определенной из пороговой кривой радиозвука, практически
идентичен этой кривой. При этом хорошо согласуются между
собой полученные значения частот связи электрической модели со
значениями частотных максимумов на пороговой кривой радиоз-
вука. Вопрос выбора той или иной анатомической структуры
в качестве второго эквивалентного контура видимо следует связы-
вать, в первую очередь, с возможностью обеспечения сильной
связи между контурами, т.е. должно обеспечиваться условие бли-
зости численных значений импедансов рассматриваемых анатоми-
ческих структур. С этой точки зрения, лобные пазухи или мастоид,
хотя и удовлетворяют одному из требований, а именно, обладают
расчетным значением частоты собственных колебаний, близкой
к частоте собственных колебаний первого эквивалентного конту-
ра, но не обеспечивают величины импеданса, близкой к величине
импеданса мягких тканей. Действительно, если импеданс мягких
тканей (рС)т«1,5* 105 г*см-2*с-1, то импеданс воздушной по-
лости (рС) в «3,4 г-см-2-с-1. Отношение импедансов близко к
103. Это означает, что для получения такой же интенсивности
колебаний в воздушной полости, как и в мягких тканях, необходи-
мо увеличить амплитуду возбуждения более чем на три порядка,
т.е. из мягких тканей в воздушную полость переходит лишь одна
тысячная часть всей подводимой механической энергии. Следова-
тельно, связь между такими контурами заведомо чрезвычайно
мала. Наличие же слабой связи между контурами не обеспечива-
ет возможности получения двугорбой кривой и, соответственно,
возможности получения сложного частотного сигнала на выходе
такой системы. Однако, если связь близка к критической, во
втором контуре возможно наличие двух частотных максимумов
при одном частотном максимуме (на частоте резонанса) в первом
контуре. Подобную ситуацию можно реализовать в модельном
эксперименте при облучениии импульсами СВЧ пробирки, частич-
но заполненной жидкостью. Если* подобрать высоту столбика
жидкости и высоту воздушного столбика с близкими значениями
резонансных частот и возбудить в жидкости ударные механичес-
кие колебания, то получаем модель двухконтурной системы со
слабой связью. Причем в зависимости от места съема механичес-
ких колебаний (в воздушном или жидком столбике) картина
возбужденных механических колебаний будет иметь разный вид.
Субъективная оценка выходного сигнала электрической модели
испытуемыми «на слух» совпадает с таковой при натурном экспе-
рименте. Как и в натурном эксперименте, при длительности им-
пульса, близкой к периоду возбужденных колебаний, отмечается
наличие низкочастотного тона, высокочастотный тон при этом
подавлен. При длительностях импульса, равных или меньших
половине периода, подавляется низкочастотный тон и отмечается
высокочастотный политональный характер колебаний в дорезо-
нансной области. Аудиометрия костно-тканевой проводимости,
115
как в режиме возбуждения механических колебаний тональным
сигналом, так и с помощью ударных механических колебаний,
показала хорошее совпадение полученных пороговых кривых с
пороговой кривой радиозвука. Последнее обстоятельство, а также
реализация с помощью моделей аналогов «низко- и высокочастот-
ного» типов радиозвука позволяют считать, что механизм радио-
звука целиком определяется механизмами органа слуха. Поста-
новка натурного эксперимента при меньшем уровне шума в поме-
щении с применением противошумных наушников позволила выя-
вить наличие нулевых биений в области частот 14-7 кГц порого-
вой кривой радиозвука. Причем частоты следования импульсов
СВЧ, на которых были отмечены нулевые биения с тональным
сигналом, соответствуют частотам, на которых отмечаются низкие
значения порога костно-тканевой проводимости и пороговой кри-
вой радиозвука. Из этих же кривых следует, что для выявления
нулевых биений на более низких частотах следования импульсов
необходимо повышать мощность в импульсе пропорционально
повышению порога. Этим показано хорошее соответствие двух-
контурной резонансной модели натурному эксперименту. Иден-
тичность пороговых кривых радиозвука и костно-тканевой прово-
димости в режиме ударных механических колебаний сквозной
АЧХ двухконтурной резонансной модели позволяет говорить о
том, что вид этих кривых является следствием физических процес-
сов, имеющих место в двухконтурной резонансной системе, а не
физиологических особенностей биологических структур.
Таким образом, можно считать, что сенсорный акустический
эффект СВЧ представляет собой физическое явление, связанное
с поглощением электромагнитной энергии СВЧ в тканях на пути
к рецепторному аппарату. Механизм этого эффекта связан с
возбуждением в тканях головы механических колебаний за счет
термоупругого расширения при поглощении энергии импульса
ЭМИ и проведения этих колебаний в улитку костнопроводным
путем. Формирование же спектра воспринимаемого человеком
слухового ощущения связано с взаимодействием анатомических
структур, представляющих систему колебательных контуров, со
связью, выше критической. Амплитудно-частотные свойства ре-
альной двухконтурной системы определяются в большей степени
улиткой органа слуха, предположительно являющейся вторым
эквивалентным контуром. На то что в наблюдаемом эффекте
частота резонанса двухконтурной резонансной системы сильно
зависят от акустических свойств костных тканей, указывает зави-
симость величины этой частоты от величины скорости звука в той
части черепа, где расположен излучающий телефон.
Полученный экспериментальный материал позволяет также
четко определить в качестве основной частоты механического
резонанса головы как акустического низкодобротного резонатора
частоту, определяемую соотношением С/2а.
116
ГЛАВА VIII. ВОЗМОЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ
ГЕНЕРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
ИМПУЛЬСАМИ ЭМИ
Экспериментальные данные по изучению сенсорного акустичес-
кого эффекта СВЧ в натурных экспериментах и на различных
моделях достоверно показали значимость возбужденных акусти-
ческих колебаний в мягких и костных тканях при их облучении
импульсами СВЧ. Энергия этих колебаний оказалась достаточной
для активации гидродинамической системы лабиринта улитки
и возбуждения в конечном счете слухового ощущения у человека
и животного. Проявление действия возбужденных акустических
колебаний на биологический объект, каким в данном случае
является рецепторная система органа слуха, обеспечивается бла-
годаря исключительно высокой чувствительности самого рецепто-
ра — волосковых клеток. Порог чувствительности слуха для чело-
века составляет 10-4 дин*см-2 или в единицах интенсивности —
!0-16 Вт*см-2. Полученные в работе [42] экспериментальные
данные по облучению растворов солей показывают, что при вели-
чине удельнопоглощенной мощности, равной 6 Вт*см-3 в 1М
растворе NaCl, на частоте резонанса расчетная величина акусти-
ческого давления составляет 104 дин*см-2, т.е. интенсивность
возбужденных акустических колебаний определяется величиной
порядка 10-4 Вт*см-2. О биологической значимости таких интен-
сивностей говорить вообще трудно. Однако, как уже отмечалось
в работе [42], в гетерогенных средах, какими являются биологи-
ческие объекты, продольная волна при падении на границу разде-
ла двух сред образует в качестве одной из компонент сдвиговую
волну. Причем затухание сдвиговой волны на пять порядков
выше, чем для продольной. Если учесть также, что в результате
гетерогенности биологических сред на границах раздела структур
с различным значением диэлектрической проницаемости концент-
рация электромагнитной энергии на три порядка может превы-
шать средний уровень энергии во всем объеме [171], то в объе-
мах, определяемых областью поглощения сдвиговой волны поряд-
ка 10”6 см3 (скорость сдвиговых волн на 2—3 порядка ниже, чем
для продольных волн), концентрация акустической энергии может
117
достигать единиц ватт в кубическом сантиметре. Этих интенсив-
ностей уже вполне достаточно для активного воздействия на
биологические структуры. Приводимая оценка интенсивности
сдвиговых волн, возбуждаемых в биологических объектах при их
облучении импульсами СВЧ, весьма приблизительна и основана
на разрозненных экспериментальных данных и теоретических
предпосылках различных исследований. Однако принципиальная
возможность существенной локализации электромагнитной энер-
гии СВЧ в микрообъемах и соответственно реализация больших
интенсивностей акустической энергии в этих же объемах очевид-
на. В связи с этим исследование характеристик возбужденных
акустических колебаний, в первую очередь на модельных систе-
мах, представляется весьма актуальным. Причем вопрос касается
не только изучения тепловых механизмов биологического дейст-
вия импульсных СВЧ-полей на различные биологические структу-
ры. Ведь до сих пор понятие «специфическое действие СВЧ» носит
настолько расплывчатый характер, что невозможно даже прибли-
зительно определить его границы.
Возможным аспектом использования генерации акустических
колебаний импульсами СВЧ может быть его чисто техническое
применение. Известно, что исследование воздействия лазерного
излучения на жидкие среды [24] привело к созданию новых типов
источников акустических колебаний, систем передачи информации
на этой основе и т.д. Причем сравнение коэффициента преобразо-
вания импульса электромагнитной энергии СВЧ и импульса ла-
зерного излучения, равной длительности, в энергию акустических
колебаний говорит в пользу первого из видов преобразования.
Так, при плотности СВЧ энергии, равной 10Вт«см-3, давление
акустической волны на частоте порядка 5 кГц в этаноле составля-
ет 5-104 дин «см-2 при мощности импульса СВЧ, равной 70 Вт.
При тепловом механизме генерации звука с помощью СО2-лазера
акустическое давление имеет порядок 102дин-см“2 на частоте
1 МГц при мощности импульса 102Вт [24].
Таким образом, исследования процессов генерации акустичес-
ких колебаний в жидких средах импульсами электромагнитной
энергии СВЧ носят не только фундаментальный, но и прикладной
характер. Поэтому первостепенное значение приобретают иссле-
дования зависимости параметров возбужденных акустических ко-
лебаний от физических и физико-механических характеристик
сред, их структуры и типа организации. Представлялось также
необходимым проверить возможность возбуждения акустических
колебаний в широком диапазоне частот несущей. Для этой цели
были использованы разработанный широкополосный полосковый
облучатель и модифицированные генераторы СВЧ ГС-6 с мощ-
ностью в импульсе до 75 Вт и разработанный на базе медицинско-
го терапевтического аппарата «Луч —58—1» импульсный генера-
тор СВЧ с мощностью в импульсе до 0,5 кВт. Исследована воз-
не
Рис. 66. Температурная зависимость амплитуды возбужденных акустических
колебаний от концентрации электролита NaCl
Рис. 67. Температурная зависимость амплитуды возбужденных акустических
колебаний для спиртов: /— этанол, 2— бутанол
можность возбуждения акустических колебаний в полосе частот
несущей 0,5—2,4 ГГц в спиртах и растворах солей. Во всем
указанном диапазоне возбуждение акустических колебаний имеет
место.
Весьма существенным моментом для функционирования биоло-
гического объекта является его температура. С этой целью были
исследованы темлературные зависимости амплитуды возбужден-
ных акустических колебаний в электролитах с различной концент-
рацией соли и в спиртах. На рис. 66 и 67 представлены графики
этих зависимостей. Для этих же жидкостей исследовалось влия-
ние крутизны фронтов модулирующего сигнала на амплитуду
возбужденных акустических колебаний. При модуляции генерато-
ра СВЧ сигналами синусоидальной и треугольной форм в полосе
частот до 20 кГц не удалось наблюдать возбуждения акустичес-
ких колебаний. При завале фронтов прямоугольных модулирую-
щих импульсов отмечено снижение амплитуды возбужденных
акустических колебаний.
Для получения амплитудных зависимостей возбужденных
акустических колебаний от вязкости жидкости использован метод
М.И,.Шахпаронова [60], который заключается в получении необ-
ходимой вязкости исследуемой полярной жидкости путем ее
смешивания с неполярной жидкостью, вязкость которой отлична
от вязкости исследуемой жидкости. Таким образом, не меняя
количества полярной жидкости, различными неполярными жид-
костями можно изменять вязкость в широких пределах. Использо-
вались две полярные жидкости — этанол и ацетон и три неполяр-
ных растворителя — гексан, четыреххлористый углерод и бензол.
Эти жидкости характеризуются следующими величинами вязкос-
ти (в сантипуазах): ацетон —0,32; этанол—1,2; гексан—0,29;
бензол —0,6; четыреххлористый углерод —0,88.
119
Концентрация, %
Рис. 68. Зависимость амплитуды возбужденных акустических колебаний для
различных концентраций ацетона в неполярных растворителях: 1— гексан;
2— бензол; 3— СС1<
Рис. 69 Зависимость амплитуды возбужденных акустических колебаний для
различных концентраций этанола в неполярных растворителях. 1— гексан; 2—
бензол; 3— СС1<
На рис. 68 приведены кривые зависимости амплитуды акусти-
ческих колебаний для различных концентраций ацетона в непо-
лярных растворителях. Из расположения кривых видно, что для
одной и той же концентрации ацетона амплитуда возбужденных
акустических колебаний тем больше, чем меньше вязкость раство-
рителя. На рис. 69 приводятся те же зависимости для этанола.
Построенные по этим данным зависимости амплитуды возбужден-
ных акустических колебаний от вязкости растворителя дают зави-
симость, близкую к линейной (рис. 70) в данном диапазоне вяз-
костей.
Большой практический интерес могут представлять данные
о частотных свойствах возбужденных акустических колебаний
в зависимости от объема и геометрии объекта. Приводимые выше
данные резонансных частот для сферических объемов могут слу-
жить в качестве исходных для расчета резонансных частот кле-
точных структур. Интерес представляет также возможность пост-
роения принципиально новых приборов для исследования биоло-
гических объектов путем измерения их акустических параметров.
Причем возбудителем акустических колебаний в данном случае
служит электромагнитное излучение. Как указывалось выше, про-
бирка с поглощающей жидкостью в условиях ее облучения им-
пульсами СВЧ проявляет свойства четвертьволнового резонатора.
120
Рис. 70. Зависимость ампли-
туды возбужденных акустичес-
ких колебаний в ацетоне и эта-
ноле от вязкости неполярного
растворителя
Это обстоятельство позволяет рас-
сматривать возможность создания
СВЧ-акустических интерферометров
на сверхнизких частотах [53].
Одним из интересных и важных
примеров практических применений
полученных результатов авторы ви-
дят в создании аппаратов для лю-
дей, потерявших слух в результате
нарушения механической системы
среднего уха. Если при этом сохра-
нены улитка и слуховой нерв, то при
облучении с помощью СВЧ-апплика-
торов можно было бы надеяться на
возможную коррекцию слуха. При-
менение СВЧ-аппликатора позволит
также разработать более универсальную методику получения
аудиограммы костно-тканевой проводимости в широком частот-
ном диапазоне с высокой линейностью собственной АЧХ. Пос-
кольку в данном случае модуляция СВЧ излучения прямоуголь-
ными импульсами не представляет трудностей, а глубина модуля-
ции равна 100%, то регистрируемые пороги при этом целиком
определяются амплитудно-частотными свойствами механизмов
слуха и собственно тканей. При этом при построении кривых
порога не будет требоваться корректировка, учитывающая АЧХ
излучателя. С другой стороны, наши измерения порога как в
режиме тонального сигнала, так и в режиме ударного возбужде-
ния показали, что традиционная схема этих измерений, использу-
ющая сетку частот с шагом, равным октаве, не совсем удачна.
Обнаруженные нами «провалы» на пороговых кривых на некото-
рых частотах модуляции перекликаются с данными И.А.Вартанян
и Е.М.Цирульникова [10], которые указывают на невозможность
определения порога у больных при некоторых частотах модуляции
ультразвука, «провалы»— характерный признак в ультразвуко-
вой диагностике отосклероза. В качестве одного из перспективных
направлений можно отметить возможную диагностику различных
образований (опухолей, отеков) путем зондирования выделенных
объемов или областей тела импульсом СВЧ и возбуждения в них
механических колебаний, частота которых определяется парамет-
рами данного объема. Попытка применить СВЧ для диагностики
отека мозга описана в работе [22]. Рассмотренные некоторые
зависимости параметров возбужденных акустических колебаний
от физических характеристик модельных сред и перспективные
возможные применения полученных результатов уже сегодня поз-
воляют наметить некоторые пути их практической реализации
и дальнейших исследований.
Радиозвук как явление объективное, стабильно воспроизводи-
мое и, в принципе, хорошо изученное, мог бы стать своего рода
121
критерием для определения возможного неблагоприятного воз-
действия ЭМП в соответствующем диапазоне частот. Вопрос:
«Воздействует — не воздействует?»— может быть решен введени-
ем в излучение импульсной модуляции и определением наличия
звукового ощущения при этом у испытуемого. Поскольку радиоз-
вуковое ощущение зависит от индивидуальных особенностей слу-
ховой системы испытуемого, то имеется возможность применения
эффекта в диагностике патологии слуховой системы.
М^тод физического моделирования, использованный нами для
изучения эффекта радиозвука, вполне применим и к изучению
других эффектов ИМ ЭМП, поскольку отражает физическое су-
щество происходящих явлений при взаимодействии ЭМИ с биоло-
гической тканью.
Чрезвычайно большие возможности дает и предложенный ме-
тод аудиометрии слуховых порогов по костному проведению с
использованием малого шага по частоте, поскольку позволяет
обнаружить очень тонкие индивидуальные особенности как слухо-
вой системы человека, так и резонансных свойств его головы, что
отражается на аудиограмме костной проводимости. Метод, в силу
высокой чувствительности, открывает возможности для исследо-
вания динамики временных изменений в слуховой системе. В
настоящее время описанный метод уже находит применение в
научной и клинической практике.
В более широком, методологическом плане эта работа является
веским аргументом в пользу рассмотрения эффектов биологичес-
кого действия электромагнитных полей СВЧ-диапазона как след-
ствия преобразования падающей электромагнитной энергии в
тепловую. При этом, очевидно, отличия эффектов ЭМИ от эффек-
тов простого нагревания, обычно используемого для контроля,
обусловлены как меньшим градиентом температуры по направле-
нию от поверхности объекта к его глубинным слоям, так и воз-
можным перегревом микролокальных объемов за счет различия
в диэлектрических проницаемостях, а для импульсно-модулиро-
ванных и прерывистых полей — еще и наличием механических
напряжений и смещений, возникающих в поглощающих тканях.
Заключение
Представленный в книге материал в основном содержит экспе-
риментальные данные, полученные авторами в процессе исследо-
вания сенсорного акустического эффекта СВЧ методом физичес-
кого моделирования. Наиболее существенными результатами, по-
лученными в процессе исследований, можно считать выявленную
решающую роль рецепторных структур в формировании возбуж-
даемого слухового ощущения и наличие резидуального звука во
всей области звуковых частот, выявленного методом нулевых
биений. Это позволило прийти к выводу об участии механизмов
органа слуха в формировании соответствующего отклика, воз-
122
буждающего окончания слухового нерва. Процесс же формирова-
ния собственно сложного акустического сигнала происходит рань-
ше — в тканях мозга и черепа за счет поглощения этими тканями
импульса электромагнитной энергии, трансформации части ее
в энергию акустических колебаний и выделения спектра сигнала
резонансной системой. Полученные данные позволяют расширить
наши представления о частотных свойствах радиозвука в диапа-
зоне воспринимаемых частот, который ранее определялся полосой
частот, начиная с 8 кГц, и простирался до верхней границы слуха
человека. Полученный экспериментальный материал по исследо-
ванию сенсорного акустического эффекта СВЧ позволяет также
предполагать правомерность ранее высказанной гипотезы [42] об
акустической природе механизма биологического действия им-
пульсных СВЧ-полей.
Литература
/. Александер Р Биомеханика. М.: Мир, 1970.
2. Анатомия человека/Под ред С.С.Михайлова. М.: Медицина, 1984.
3. Ахадов Я Ю Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М : Изд-во
стандартов, 1972.
4 Ахадов Я Ю Диэлектрические свойства бинарных растворов М : Наука, 1977
5. Байер В Биофизика. И.И.Л., М., 1962.
6. Беднин Ф.В , Сагалович Б.М Эквивалентные пороги слышимости человека
при костном проведении звуков, замеренные с помощью прибора «искусственный
мастоид» в расширенном диапазоне частот//Акустический журн. 1975. Т. 21, вып. 5
С 673—678.
7 Беднин Ф.В , Сагалович Б.М. Соотношение порогов слышимости человека при
воздушном и костном проведении звуков в расширенном диапазоне частот//Акус-
тический журн. 1984 Т. 30, вып. 5. С. 589—593.
8. Белоцерковский Г Б Основы радиотехники и антенны Ч 1. М. Советское
радио, 1969.
9 Быстшановская Т. Клиническая аудиология. Варшава. ПГМИ, 1965.
10 Вартанян И А., Цирульников Коснуться невидимого, услышать неслыши-
мое. Л.: Наука. 1985.
11 Васильев А.Н., Гайдуков ЮП Электромагнитное возбуждение звука
в металлах//УФН 1983 Т 141, вып. 3. С. 431—464.
12 Глинский Б.А , Грязнов Б С., Дынин Б.С., Никитин Е.П Моделирование как
метод научного исследования. М.: Изд-во МГУ, 1965
13. Даниловская В.И.//Прикладная математика и механика. 1950. Т. XIV
С. 316—344
14. Даниловская В.И //Прикладная математика и механика. 1952. Т. XIV
С. 341—344.
15. Кицовская И.А Исследование взаимоотношений между основными нервны-
ми процессами у крыс при воздействии СВЧ разной интенсивности//О биологичес-
ком действии сверхвысоких частот. М.: Наука, 1960. С. 75.
16. Коломийченко А И., Шейман Н С. Атлас тональных аудиометрических
исследований (Пособие для практических врачей и студентов). Киев: ГМИ УССР,
1962.
17. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны. М.: Физматгиз, 1960.
18. Кукушкин Н.И. Изучение нестационарных процессов распространения
возбуждения в миокарде. Автореф. канд. дисс. Пущино: ИБФ АН СССР, 1971.
19. Лабутин В.К., Молчанов А.П. Слух и анализ сигналов. М.: Изд-во
«Энергия», 1967.
123
20. Лабутин В.В., Молчанов А П Модели механизмов слуха. М • Изд-во
«Энергия» 1973
21 Лин Дж Ч Слуховой эффект на СВЧ//ТИИЭР. 1980. Т. 68, № 1.
22. Лин Дж.Ч., Кларк М.Д. Диагностика отека мозга с помощью СВЧ//ТИИЭР
1982 Т. 70, №5.
23 Лэмб Г Динамическая теория звука. М.: Физматгиз, 1960.
24. ЛямшевЛ.М Лазеры в акустике//Вестник АН СССР. 1984 №8 С 97—107.
25. Мандельштамм ЛИ Лекции по теории колебаний. М. Наука, 1972
26. Маликова С И., Малышев В Л , Балакирева В Н , Горбань Л Г Влияние
дециметровых волн на температуру головного мозга и прилежащих тканей//Вопро-
сы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 1982 Т. 2
С 18—22
27 Механизмы слуха//Проблемы физиологической акустики. Т VI. Л.. Наука,
1967
28 Молчанов А.П., Бабкина Л.В Электрические модели механизмов улитки
органа слуха Л . Наука, 1978
29 Морозов В П , Акопиан А.И , Бурдин В И. и др Аудиограмма дельфина-афа-
лины//Физиол. журн. СССР 1971 Т 57 С 843—849.
30. Попов В.В , Супин А Я Определение характеристик слуха дельфина методом
вызванных потенциалов//Физиол Журн СССР. 1976 Т 62. С. 550—558
31. Попов В В , Супин А Я Реакция слуховой коры мозга дельфина на сложные
акустические стимулы//Физиол журн СССР. 1976 Т XII, № 12. С 1780—1785
32 Прагер В Введение в механику сплошных сред М. ИЛ 1963
33 Романенко ЕВ Физические основы биоакустики М.- Наука, 1974
34. Сагалович Б М , Мелкумова Г Г. О проведении ультразвуковых колебаний,
вызывающих слуховые ощущения, через кости черепа//Биоф‘изика. 1964 Т 9.
Вып.4
35. Сагалович Б.М , Мелкумова Г Г Соотношение порогов слышимости при
воздушном и костном проведении звуков у людей в норме//Вестник оториноларин-
гологии 1967 Т 2. С 78—83
36 Сагалович Б М , Мелкумова Г Г Изучение действия электромагнитных волн
сверхвысокой частоты на вызванные потенциалы слуховых центров в связи
с перспективами использования неадекватной слуховой с,тимуляции//Вестн отори-
нолар 1974. Т. 4. С 3—8
37 Сагалович Б М., Беднин Ф.В , Горшков В Г , Стамов-Витковский А.В
Костный телефон для исследования остроты слуха и слухопротезирования//БИ
1974 №42, Авт св № 449713
38 Сагалович Б М , Симбирцева О И Возрастная характеристика эквивалент-
ных порогов слышимости человека при костном проведении звуков в расширенном
диапазоне частот//Акуст. журн 1978 Т. 24, вып. 2 С. 307—309
39 Сагалович Б М , Беднин Ф В. Прибор «искусственный мастоид» для
калибровки костных телефонов в расширенном диапазоне частот//Мед техника.
1981. № 1. С 28—31
40. Справочник по радиотехнике//Под ред Б А.Смиренина М -Л • ГЭИ, 1950.
41 Тигранян Р Э , Парсаданян A.Ill Действие низкоинтенсивного импульсного
СВЧ ЭМП на ритмику сокращения сердца//Биологическое действие электромаг-
нитных полей Тез. докл Всес симпозиума Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1982
42 Тигранян Р Э Гипотеза об акустической природе механизма биологического
действия импульсных СВЧ-полей Препринт Пущино ОНТИ НЦБИ АН СССР,
1984.
43 Тигранян Р Э. Физико-техническая практика биологического эксперимента
с СВЧ-излучением Пущино. ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1985, 130 с.
44 Тигранян Р.Э, Шорохов В В. К вопросу о физическом моделировании
акустических эффектов при действии СВЧ-полей на биологические системы//Био-
физика. 1985 Т 30. Вып. 5 С 894—899
45 Тигранян РЭ, Шорохов В В Физические основы слухового эффекта
СВЧ//Биологические эффекты электромагнитных полей Вопросы их использова-
ния и нормирования. Пущино. ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1986. С. 68—75
46 Тигранян РЭ Генераторы СВЧ с широкополосной импульсной модуляцией
для биологических исследований на базе медицинских приборов микроволновой
124
терапии//Приборы и лабораторное оборудование для научных исследований по
новым направлениям биологии и биотехнологии. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР,
1986. С. 66—70.
47. Тигранян Р.Э., Машкин П.В. Там же. Ламповые СВЧ-генераторы для
биологических исследований. С. 70—76.
48. Тигранян Р.Э., Шорохов В.В. Частотный диапазон слухового эффекта
СВЧ//Биофизика 1988. Т. 33. Вып. 2. С. 349—350.
49 Тигранян Р.Э. Модель механизма формирования костно-тканевой аудиог-
раммы у человека и животных//Биофизика. 1988. Т. 33. Вып 3. ВИНИТИ Деп.
№ 970— В88.
50. Тигранян Р.Э., Шорохов В.В., Горохов А.Л. Двухконтурная резонансная
модель слухового эффекта импульсных полей СВЧ. Аннот.//Бнофизика. 1988. Т. 33.
Вып. 3. С. 536. ВИНИТИ. Деп. №2506— В88.
51. Тигранян Р.Э. Возможный механизм специфического действия импульсных
СВЧ-полей//Биофизнка. 1988. Т. 33. Вып. 4. С. 698—702.
52. Тихонов А.И., Самарский А А. Уравнения математической физики. М.:
Наука, 1977.
53. Трофимов А.И. Пьезоэлектрические преобразователи статических нагрузок.
М.: Машиностроение, 1979.
54. Тяжелое В.В., Алексеев С.И. Проблемы формирования представлений
о первичных механизмах биологического действия высокочастотны^ электромагнит-
ных полей//Проблемы экспериментальной н практической электромагннтобиоло-
гии. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1983.
55. Тяжелое В.В., Тигранян Р.Э, Хижняк Е.П. Исследование звуковых эффек-
тов высокочастотного электромагнитного импульсно-модулированного поля//
ВИНИТИ, Деп. №2049—77. 1977.
56. Физиология сенсорных систем. Руководство по физиологии. Ч 2, Л.: Наука,
1972.
57. Харвей А.Ф Техника сверхвыскоих частот. М.: Совет, радио, 1965.
58. Хижняк Е.П., Тяжелое В.В. Слуховые эффекты при действии импульсных
ЭМИ//Биологические эффекты электромагнитных полей. Вопросы их использова-
ния н нормирования. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1986. С. 49—68.
59. Цвикер Э., Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации. М.. Связь, 1971
60. Шахпаронов М И. Методы исследования теплового движения молекул
и строения жидкости. М.- Изд-во МГУ, 1963.
61. Шорохов В.В. Построение модели радиозвука на основе модификации теории
залпов. Дипломная работа. Казанский государственный университет, 1978
62. Шорохов В.В., Тигранян Р.Э., Машкин П В. Исследование особенностей
эффекта радиозвука с помощью сферической модели//Биофизика. 1986 Т. 31.
Вып. 4. С. 695—700
63. Шорохов В В., Тигранян Р.Э Слуховые эффекты импульсных электромаг-
нитных полей СВЧ. Аналитический обзор. ВИНИТИ. 1988. Деп. № 7777— В88.
Аннот.//Биофизика. 1989. Т. 34. Вып 1.
64 Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. Л.: Изд-во Ленинградского
университета, 1980.
65. Экспериментальная психология//Под ред. С.С.Стивенса, М.: ИЛ, 1963.
66. Эфрусси М.М. Слуховые аппараты и аудиометры. М.: Энергия, 1975.
67 Airborne Instruments Laboratory. An Observation on the Detection by the Ear
of Microwave Signals//Proc IRE. 1956 V. 44, No 10. P. 2A.
68. Anne A., Saito M., Satti O.M., Shvan H.P. Relative Microwave Absorption
Cross Sections of Biological Significance. In: Biological Effect of Microwave
Radiation. V. 1. NY., Plenum Press, 1961. P.153—176.
69. Anzelus A. The Effect of an Impact on a Spherical Liquid Mass// Acta
PathologyMicrobiology Scandinavica. 1943. V. 488. P. 153—159.
70. Atsuko M., Masao S. Microwave Auditory Effects//.!. Acoust. Soc. Jap. 1983.
V. 39. No 4. P. 262-265.
71. BekeXy G Experiments in Hearing. Me Graw-Hill. N.Y. 1960.
72. Bilsen FA , Ritsma R.J. Some Parameters Influencing the Perseptibility of
Pitch.//J. Acoust Soc Amer. 1970. V. 47. P. 469—475.
73 Borth DE., Cain C.A. Theoretical Analysis of Acoustic Signal Generation in
125
Materials Irradiated with Microwave Energy//1EEE Trans. Microw. Theory Tech.
1977. V. MTT-25. P. 944—954.
74. Brinkman К.» Richter U. Die Bestimmung der Normal-Horschwelle fur
Knochenleitung mit versciedenartigen Knochenleitungshorern//Audiol. Acoust. 1983.
V. 22. No 4. P. 114—118.
75. Cain C.A., Rissman W.J Microwave Hearing in .Mammals at
3.0 GHz//Biological Effects of Electromagnetic Waves. HEW Publication (FDA)
77—8010, 1976. V. 1. P. 79—88
76. Cain C.A., Rissman W.J. Mammalian Auditory Response to 3.0 GHz
Microwave Pulses//IEEE Trans Biomed. Electronics. 1978. V. BME-25. P. 288—293
77. Carhart R. Clinical Application of Bone Conduction Audiometry//Archives of
Otolaringology. 1950. V. 51. P. 797—808.
78. Chou C.-К., Galambos R., Guy A W, Lovely R.H. Cochlear Microphonics
Generated by Microwave Pulses//J. Microwave Power. 1975. V. 10, No 4. P. 361 —
367.
79. Chou C.-К., Guy AW, Calambos R Microwave-Induced Auditory Response.
Cochlear Microphonics//Biological Effects of Electromagnetic Waves. HEW
Publication (FDA) 77—8010. 1976. V. 1. P. 89—103.
80. Chou C.-К., Guy A.W. Microwave-Induced Auditory Response: Cochlear
Microphonics//Biological Effects of Electromagnetic Waves, edited by C.C.Johnson
and M.J.Shore, Bureau of Radiological Health FDA (77—8010). Rochville, Maryland.
1977.
81. Chou C.-К., Guy A.W., Galambos R. Microwave-Induced Cochlear
Microphonics in Cats//J. Microwave Power. 1976. V. 11. No 2. P. 171 — 173.
82. Chou C.-К., Guy A W. Threshold Energy for Hearing Microwave Pulses of 10
to 500 s Durations. URSI International Symp. on Biological Effects of
Electromagnetic Waves. Oct. 30-Nov. 4, 1977.
83. Chou C.-К., Guy A W., Galambos R Characteristics of Microwave-Induced
Cochlear Microphonics//Radio Science. 1977. V. 12, No6(S). P. 221—227.
84. Chou С -K , Galambos R. Middle-Ear Impairment and Microwave Hearing. In:
USNC/URSI Meeting, Airlie, Va., 1977.
85 Chou C.-К., Guy A.W. Microwave Induced Auditory Responses in Guinea Pigs.
Relationship oPThreshold and Microwave Pulse Duration//Radio Science. 1979
V. 14. No6(S). P. 193—197.
86. Chou C.-K-, Galambos R. Middle-Ear Structures Contribute Little to Auditory
Perception of Microwaves//J. Microwave Power. 1979. V. 14. No 4. P. 321—326.
87. Chou C -K-, Guy A.W , Foster K.R., Galambos R., Jastesen D.R Holographic
Assessment of Microwave Hearing//Science. 1980. V. 209. No 4461. P. 143—144.
88. Chou C.-K.y Guy A.W. Auditory Perseption of Radio-Frequency
Electromagnetic Fields//J. Acoust. Soc. Amer. 1982. V. 71. No 6. P. 1321 — 1334.
89. Chou C.-К., Yee К.-C., Guy A.W. Auditory Response in Rats Exposed to
2450 MHz Electromagnetic Fields in a Circulary Polarised Wave-
guide//Bioelectromagnetics. 1985. V. 6. No 3. P. 323—326.
90. Constant P.C. Hearing EM Waves. Digest of the 7th International Conference
on Medical and Biological Engineering. Stockholm, Sweden, August, 14—19. 1967.
P.349.
91. Corso J.F. Bone-Conduction Thresholds for Sonic and Ultrasonic
Frequencies//.!. Acoust. Soc. Aer. 1963. V. 35. No 11. P. 1738.
92. Dirks D.D., Libarger S.F., Olsen W.O., Billings B.L Bone Conduction
Calibration. Currents Status//.!. Speech and Hear. Disord. 1979. V. 44. No 2.
P. 143—155.
93. Engin A.E., King L J. Axisymmetric Response of a Fluid-Filled Spherical Shell
in Free Vibrations//J. Biomechanics. 1970. V. 3, No 1. P. 11—22.
94. Feinstein S.N., Hollien H., Hollien R. Diver Auditory Sensitivity: Another Look
at Bone Conduction//.!. Acoust. Soc Amer. 1972. V. 52. No 1 (part 1). P. 170.
95. Foster K.R., Finch E.D. Microwave Hearing: Evidence for Thermoacoustic
Auditory Stimulation by Pulsed Microwaves//Science. 1974. V. 185. P. 256—258.
96. Foster K.R., Wider ho Id M.L. Auditory Responses in Cats Produced by Pulsed
Ultrasound//.!. Acoust. Soc. Amer. 1978. V. 63. No 4. P. 1199—1205.
126
97. Frey A.H. Auditory System Response to Radiofrequency Energy//Aerospace
Medicine. 1961. V. 32. No 12. P 1140—1142.
98. Frey A.H Human Auditory System Response to Modulated Electromagnetic
Energy//J. Appl. Physiol. 1962. V. 17. No 4. P 689.
99 Frey A.H. Some Effects on Human Subjects of Ultra-High-Frequency
Radiation//Amer. J. of Medical Elecronics. 1963 V. 2. P. 28—31.
100. Frey A.H. A Restraint Device for Cats in a UHF Electromagnetic Energy
Field//Psico-Physiology. 1966. V. 2. P. 381—383.
101 Frey A.H. Brain Steam Evoked Responses Associated with Low-Intensity
Pulsed UHF Energy//J. Appl. Physiol. 1967. V. 23 No 6. P. 984—988.
102. Frey A.H Biological Function as Influenced by Low-Power Modulated RF
Energy//IEEE Trans. MTT 1971 V. MTT-19. No 2. P. 153.
103 Frey A.H Human Perception of Illumination with Pulsed Ultra-Frequency
Electromagnetic Energy//Science. 1973 V. 181. P 356—358.
104 Frey A.H, Feld S.R. Avoidance by Rate of Illumination with Low Power
Nonionizing Electromagnetic Energy//.!. Comparative and Physiological Psichology:
1975. V 89. No 2. P. 183—188.
105 Frey A.H, Coren E. Holographic Assessment of Hipotesized Microwave
Hearing Mechanism//Science. 1979 V. 206. P. 232—234.
106 Frey A H., Coren E. Holographic Assessment of Microwave
Hearing//Science. 1980. V. 209 No446L P. 144—145
107. Frey A.H, Eichert E.S Psichophysical Analysis of Microwave Sound
Perseption//J. Bioelectricity. 1985. V. 4. No 1. P. 1 — 14.
108 Gauzs M.T., Smith M.M, Koemond E High-Frequency Bekesy Audiometry.
V Excurdion width//Audiology. 1984 V. 23. No 6. P 525—536.
109. Goss S A., Johnston R.L., Dunn F. Complication of Empirical Ultrasonic
Properties of Mammalian Tissues. II//J Acoust. Soc. Amer. 1980. V. 68, No 1
P 93—108
110 Gournay L.S Conversion of Electromagnetic to Acoustic Energy by Surface*
Heating//J. Acoust Soc. Amer 1966. V 40 No 6. P. 1322—1330.
/// Guo T C , Guo W W , Larsen L.E. Microwave-Induced Thermoacoustic Effect
in Dielektrics and its Coupling to External Medium//IEEE Trans. Microw Theory
Tech. 1984. V. 32. No 8 P. 835—843.
112 Guy A W, Taylor EM., Ahleman B.T , Lin J.C Microwave Interaction with
the Auditory Systems of Humans and Cats. Proc. Int. Microwave Symposium,
Boulder, CO 1973. P 321-323
113. Guy A W, Chou C.-K, Lin J.C., Christensen D. Microwave-Induced Acoustic
Effects in Mammalian Auditory Systems and Physical Materials//Annals of the New
York Academy of Sciences. 1975 V 247. P 194—218.
114. Hjersen D.L., Phillips R.D RH Lovely, Perseption and Response to Pulsed
Microwave Radiation by Rats//Abstracts Annual Meeting URSI. Amherst, Mas.,
1976.
115. Ho H.S., Hagan G.J., Fostei M R Microwave Irradiation Desigh Using
Dielectric Lenses//IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1975. V. MTT-12. P. 1058—
1061
116. Holmes M.H., Cole J.D Cochlear mechanics: Analysis for a pure tone//J.
Acoust. Soc. Amer. 1984. V. 76. No3. P. 767—768.
117. Honruba V, Word P.H. Mechanism of production of Cochlear
Microphonics//J. Acoust Soc. Amer. 1970. V. 47 P. 498—503.
118. Hu C.-L. Spherical Model of an Acoustical Wave Generated by Rapid Laser
Heating in a Liquid//J. Acoust. Soc. Amer. 1969. V. 4. No 3 (part 2). p. 728—736.
119. Johnstone B.M., Yates G.K Basilar membrane tuning curves in the
guinea-pig//J. Acoust. Soc. America. 1974. V. 55. P. 389—390.
120. Joines W.T., Wilson B.S. Field-Induced Forces at Dielectric Inetrfaces as
a Possible Mechanism of RF Hearing Effects//Bull. Math. Biol. 1981. V. 43.
P. 401—413.
121. Jonson C.C., Guy A.W Nonionizing Electromagnetic Wave Effects in
Biological Materials and Systems//Proc. IEEE. 1972. V. 60. No 6. P. 692—718.
122. Jonson R.B , Myers D.I., Guy A.W., Lovely R.H., Galambos R Discriminative
Control of Appetitive Behavior by Pulse Microwave Radiation in Rats//Biological
127
Effect of Electromagnetic Waves Selected Papers of the USNC/URSI Annual
Meetings, Boulder, CO, Oct., 20—30; NEW Publication (FDA) 77—8010. 1976. V. 1.
P. 238—247.
123 Karlan M.S., Tondorf J., Khanna S.M. Dual Origin of the Cochlea
Microphonics Inner and Outer Hair Cells// Ann. Otol-Rhinol-Laringol. 1972. V. 81.
P. 696—704.
124. KhalilT.В , Viano D C , Smith D.L. Experimental Analysis of the Vibrational
Haracteristics of the Human Skull//J. Sound and Vibrations 1979 V 63. No3.
P. 251—376.
125. Khalil T.B., Viano D.C. Comparison of Human Skull and Spherical Shell
Vibrations Implication for Head Injury Modeling//J Sound and Vibrations. 1982.
V. 82. Nol. P. 95—110.
126 Khizhniak E.P, Tyazhelov V.V., Shorokhov V V. Some Peculiarities and
Possible Mechanisms of Auditory Sensation Evoked by Pulsed Electromagnetic
Irradiation//Activ. Nerv Sup. (Praha), 1979. V. 21 No 4. P. 247—251
127 Khizhniak E P., Shorokhov V.V, Tyazhelov V. V. Two types of Microwave
Auditory Sensation and their Possible Mechanisms//Simposium URSI «Ondes
Electromagnetiques et Biologie> Joui-en-Josas. Paris, Juillet, 1980
128. Kiang N Y.S Discharge Patterns of Single Fibers in the Cats Auditory Nerve
MIT Press Cambridge, Mass, 1965.
129. King N W., Juste D R., Clarke R.L. Behavioral Sensitivity to Microwave
Radiation//Science. 1971. V. 172. P 398—401.
130 Kritikos H.N, Schwan H.P Hot Spots Generated in Conducting Spheres by
Electromagnetic Waves and Biological Implications//IEEE Trans. Biomed. Eng
1972. V. BME-19(1). P. 53—58.
131. Lebovitz R.M , Seaman R L Microwave Hearing: The Response of Single
Neurons in the Cat to Microwave Radiation//Program and Abstracts Annual Meeting
URSI Amherst, Mass 1976.
132. Lebovitz R M., Seaman R.L Microwave Hearing: The Responce of Single
Auditory Neurons in the Cat to Pulsed Microwave Radiation//Radio Science 1977
V. 12. No6(S) P. 229-236.
133 Lebovitz R.M., Seaman R.L. Single Auditory Unit Responses to Weak, Pulsed
Microwave Radiation//Brain Research 1977. V 126 P 370—375.
134 Lebovitz R.M Auditory Singly Unit Response to Pulsed Microwave
Radiation//Bioelectromagnetic. 1980. V. 1. No 2 P. 238
135. Lilly J C , Miller A.M Sounds emitted by the bottlenose delphin//Science 1961.
V 133 P. 3493.
136. Lin J.C., Guy A.W., Kraft G.H Microw-ave Selection Brain Heating//J
Microw. Pow. 1973. V. 8. P. 278—286.
137 Lin J C. Theoretical Analysis of Microwave-Generated Auditory Effects in
Animals and Man//Biological Effects of Electromagnetic Waves. Selected Papers of
the USNC/URSI Annual Meeting//Boulder, CO 1975. V. 1. P. 36—47
138. Lin J.C. Microwave Auditory Effect — a Comparions of Some Possible
Transduction Mechanisms//J. Microwave Pow 1976 v. 11. P. 77—81.
139. Lin J C Microwave-Induced Hearing. Some Preliminary Theoretical
Observations//.). Microwave Pow. 1976. V. 11. P. 295—298.
140. Lin J.C. On Microwave-Induced Hearing Sensation//IEEE Trans Microw
Theory Tech. 1977 V. MTT-25. No 7 P. 605—613.
141. Lin J C Further Studies in the Microwave Auditory Effects//IEEE Trans.
Microw. Theory Tech. 1977. V MTT-25. Noll. P. 938—943
142. Lin J.C. Theoretical Calculation of Frequencies and Thresholds of Microwave-
Induced Auditory Signals//Radio Sciences. 1977. V. 12. No6(S). P. 237—242.
143. Lin J C. Microwave Auditory Effects and Applications. Springfield, Illinois:
Charles C.Thomas, 1978
144. Lin J.C, Meltzer R J., Redding F.K. Microwave Evoked Brain Steam
Potentials in Cats//J. Microw. Pow. 1979. V. 14. P. 291—296.
145. Lin J.C., J.-L.Su, Wang Y. Microwave-Induced Thermoelastic Pressure
Waves Propagation in the Cat Brain//Bioelectromagnetics. 1988. V. 9. P. 141 — 147.
146. Ludvig G.D. The Velocity of Sould through Tissues and Acoustic Impedance
of Tissues//.). Acoust. Soc. Amer. 1950. V. 22. No 6 P. 862—866.
128
147 Me Ivor IK-, Sonstegard D.A. Axisyet’ric Response of a Closed
Spherical Shell to a Nearly Radial Impulse//J. Acoust Soc. Amer 1966. V 40
No 6. P. 1540—1547
148 Nixon C.M., von Gierke H E. Experiments on the Bone-Conduction
Threshold in a Free Sound Field//J Acoust. Soc. Amer. 1959. V. 31 No 8.
P. 1121 — 1125.
149. Olsen R G , Lin J C. Microwave Pulse Induced Acoustic Resonances in
Spherical Head Models//IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1981 V. MTT-29.
No 10. P 1114—1117.
150. Olsen R.G , Lin JC Microwave-Induced Pressure Waves in Mammalian
Brains//IEEE Trans. Biomed. Eng. 1983. V. BME-30. No 5. P. 289—293.
151. Ohyama К, Kasakari J., Kawamoto K. Ultrasonic electrocochleography in
guinea pig// Hearing Research. 1985. V. 17. P. 143—151.
152. Psichological Acoustics III: Masking and Pitch.//J. Acoust Soc. Amer.
1985. V. 78, Suppl. 1. P. 862—864.
153. Queller J.E., Khanna S.M. Changes in Bone Conduction Thresholds with
Vibrator Contact Area//J. Acoust. Soc. Amer. 1982. V. 71. No 6. P. 1519—1526.
154. Rhode W.S., Diesler C.D. Measurement of the amplitude and phase of
vibration of the basilar membrane using the Mosbauer effect//.!. Acoust. Soc.
America. 1970. V. 47. P. 60.
155 Robles L., Ruggero M.A., Rich N.C. Basilar Membrane Mechanics at the
Base of the Chinchilla Cochlea. I. Input-Output Function, Tunning Curves, and
Response Phases//.!. Acoust. Soc. Amer. 1986. V. 80. No 5. P. 1364—1374.
156. Ruggero M.A., Robles L., Rich N. Basilar Membrane Mechanics at the
Base of the Shinshilla Cochlea II. Responses to Low-Frequency Tones and
Relationship to Microphonics and Spike Initiation in the VIII Nerve//J. Acoust.
Soc. Amer 1986. V. 80. No 5. P. 1375—1391.
157. Schouten J.F. Proc, of Koninklijke Nederlandsche Akademie van
Wetenschappen. 1940. V. 43. No 3. P. 356.
158. Schouten J.F.//Proc, of Koninklije Nederlandsche Akademie van
Wetenschappen. 1940. V. 43. No3. P. 991.
159. Schouten J.F.//Phillips. Techn. Rev. 1940. V. 5 P. 286.
160. Schouten J.F., Ritsma R J., Cardozo B.L. Pitch of the Residue//.!. Acoust.
Soc. Amer. 1962. V. 34. P. 1418—1424.
161. Seaman R.L. Auditory System Model with Accurately Predicts Microwave
Hear Thresholds//Bioelectromagnetics. 1980. V. 1. No 2.
162. Seaman R.L., Everette C. Sounds Produced by the Localized Absorption of
Pulced Microwave Energy//Acoust. Lett. 1980. V. 3. No 12. P. 208—211.
163. Seaman R.L., Lebovitz R.M. Auditory Unit Responses to Single-Pulse
Microwave Stimuli//Hearing Research. 1987. V. 26. P. 105—116.
164 Sharp J.C., Grove H.M., Gandhi O.P. Generation of Acoustic Signals by
Pulsed Microwave Energy//IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1974. V. MTT-22.
P. 583—584.
165. Shunichi K.> Suzuki Y., Sone T. Some Consideration on the Auditory
Perseption of Ultrasonic and its Effects on Hearing//.!. Acoust. Soc. Jap. 1985.
“. E6. Nol. P. 3—8.
166. Stverak L, Marha K-, Pafkova G. Some Effects of Various Pulsed Fields
on Animals with Audiogenic Epilepsy//Biologc” Effects and Health Hazards of
microwave Radiation. Ed. P.Czersky et al., Polish Medical Publishers. Warsaw,
1974. P. 141 — 144.
167. Teylor E.M., Asleman B.T. Analysis of the Central Nervous Involvement in
the Microwave Auditory Effect//Brain Research. 1974. V. 74. P. 201—208.
168. Tondorf J. Bone Conduction. Foundation of Modern Auditory Theory, v. 2,
J.V.Tobias, ed. Academic Press, N.Y., 1972.
169. Tondorf J., Jahn A.F. Velosity of Propagation of Bone-Conducted Sound in
a Human Head//). Acoust. Soc. America. 1981. V. 70. No5. P. 1294—1297.
170. Tyazhelov V.V., Tigranian R.E., Khizhniak E.P., Akoev LG. Some
Peculiarities of auditory Sensation Evoked by Pulsed Microwave Fields//Radio
Science. 1979. V. 14. No6S. P. 259—263.
129
171 Tyazhelov V V., Alekseev S.A , Faizova L.Kh , Chertischev V.V Symposium
URSI «Ondes Elecromagnetiques et Biologie», John-en-Josas Juliet, 1980
172. Waver E.G. Electrical Potentials of the Cochlea//PhysioL Rev. 1966. V. 46
P. 102—127.
173 Wever EG. Theory of Hearing. NY, 1049.
174 White RM. Generation of Elastic Waves by Transient Surface Heating//J
Appl Physics. 1963. V. 34. No 12 P. 3559—3567.
175. Whittle L S A Determination of the Normal Threshold of Hearing by Bone
Conduction//J. Sound and Vibration. 1965 V 2. No3 P. 227—248.
176 Wilkinson, J P. Natural Frequencies of Closed Spherical Shells//J. Acoust.
Soc Amer. 1965. V. 38 P 367—368.
177. Wilson J.J , Johustone J R Basilar membrane and middle ear vibration in
guinea-pig measured by capasitive probe//J. Acoust Soc Amer 1975. V 57
P. 705—715.
178 Wilson B.S , Zook J.M., Joines W T., Cass eday J H. Alteratons in Activity
at Auditory Nuclei of the Rat Induced by Exposure to Microwave Radiation.
Autoradiographic Evidence Using [14C]-2-deoxy-D-Glucose//Brain Research.
1980. V 187 P. 291—306
179. Wilson B.S , Kobler J.В , Casseday J H , Joines W T. Spectral Content of
Microwave-Induced Auditory Stimuly as Demonstrated by [14C]-2-deoxy-D-
Glukose Uptake at the Inferior Colliculus//Bioelectromagnetics Abstracts, 1983,
V 5, p. 46
180 Wilson B.S , Joines W.T., Casseday J H., Hobler J В Responses in the
Auditory Nerve to Pulsed, CW and Sinusoidally Modulated Microwave
Radiation//Bioelectromagnetics. 1980 V. 1. P 237
181 Wilson B.S, Joiness H T Mechanisme and Physiologic Significance of
Microwave action on the Auditory System//J Bioelectricity. 1985 V 4 No 2
P. 495—525
182 Young T.M. Descending and Ascending Bekesy Thresholds with Various
Attenuation Rates and off-Times//J. Auditory Res. 1970 V 10 P. 356—362.
183. Young 1 M., Harbert F., Lowry L.D. Some Parameters Affecting Bekesy
Audiometric Thresholds//J. Auditory Res 1983. V 23 P. 221—239.
184. Young l.M, Lowry L.D, Menduke H A Bekesy Descenting-Only
Procedure: Effects of Attenuation Rate and Step Size, and Starting Level//J
Auditory Res. 1985. V 25. P. 201—208.
185 Young l.M, Lowry LD. Ascending and Descending Thresholds of Pure
Tones//J Acoust. Soc. Amer 1986. V. 80, Suppl. 1, p. 123
186. Zwislocki J. In Search of the Bone-Conduction Threshold in a Free Sound
Field//J Acoust. Soc. Amer 1957. V. 29. No 7. P 795.
187. Zwisloski J.J Acoustic Attenuation between Ears//J. Acoust Soc. Amer.
1963. V. 25. P 752—759
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ............................................ 3
Введение ........................................ . 4
Глава I. История и развитие исследований эффекта радио-
звука .................................................. 9
§ 1. Психофизические эксперименты с людьми .... 9
§ 2. Регистрация вызванных электрических потенциалов
в различных отделах слуховой системы .................21
§ 3. Некоторые другие феноменологические исследования 26
Глава II. Современное представление о феномене радиозву-
ка .................................................... 28
Глава III. Метод физического моделирования эффекта радио-
звука ..................................................36
§ 1. Общие положения и предпосылки выбора моделей 36
§2. Генерация упругих волн при быстром нагреве. . . 41
§3. Методы и приборы для возбуждения и регистрации
механических колебаний в жидких средах импульсами
СВЧ ..................................................44
Глава IV. Возбуждение механических колебаний в ограни-
ченных объемах импульсным ЭМИ ..........................57
§ 1. Одноконтурные резонансные модели.................57
1.1. Цилиндрическая модель ...........................57
1.2. Сферические модели эффекта радиозвука .... 62
Глава V. Голова человека как многомодовый акустический
резонатор ..............................................73
§ 1. Костно-тканевая аудиометрия в широком диапазоне
частот ........................................73
§2 . Механизм формирования костно-тканевой аудиограм-
мы ...................................................77
Глава VI. Двухконтурная резонансная модель радиозвука 83
§ 1. Концепция двухконтурной резонансной модели . . 83
§2 . Обоснование выбора структуры модели .... 92
§3 . Техническая реализация электрической двухконтур-
ной модели ...........................................95
§4 . Экспериментальная проверка двухконтурной резо-
нансной модели .......................................98
Глава VII. Экспериментальная проверка рабочей гипотезы 106
§ 1. Спектральный анализ сферических моделей радиозву-
ка ..................................................106
§2 . Натурный эксперимент ..........................109
§3 . Акустические аналоги радиозвука ...............112
§4. Радиозвук как физическое явление ...............114
Глава VIII. Возможные применения процессов генерации
механических колебаний импульсами ЭМИ .................117
Заключение ..........................................122
Литература ..........................................123
Роберт Эдмондович Тигранян
Владимир Васильевич Шорохов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЛУХОВОГО ЭФФЕКТА СВЧ
Отредактировано и подготовлено к печати в ОНТИ ПНЦ
Редактор С. Я. Гудкова
Технический редактор Г. П. Петрова
Корректоры Л. М. Орлова, В. И. Дубровина
Подписано к печати 24.12.90 г. Тираж 370 экз. Заказ 3012Р. Уч.-изд. л. 9,0
Формат 84X108/32. Бумага книжно-журнальная. Цена 2 р. Изд. № 4
Издание подготовлено при помощи диалоговой издательской системы (ДИС)
Отпечатано на ротапринте в Отделе научно-технической информации Пущинского
научного центра АН СССР