О возможности генерирования тональных звуковых колебаний потоком воздуха в бронхах со стенозом

Abstract

Выдвинута гипотеза об одном из возможных механизмов возникновения сухих хрипов (тональных звуковых сигналов) в бронхиальном дереве человека при его патологиях. Предполагается, что выделяющаяся в пораженных воздухоносных путях вязкая мокрота может образовывать аэродинамические структуры типа сопло-струя-препятствие. При акте дыхания роль сопла играет стеноз, формирующий скоростную струю. Роль препятствия могут играть другой стеноз, разветвления воздухоносных путей и мокротные образования. Для проверки выдвинутой гипотезы использовалась экспериментальная установка в составе физической модели воздухоносного пути, а также аппаратуры для регистрации и обработки звуковых сигналов и оценки скорости потока воздуха. В результате экспериментов обнаружено, что наличие указанных аэродинамических структур может обеспечивать эффективное преобразование энергии потока в воздухоносных путях в энергию звуковых колебаний, спектры которых во многом подобны спектрам сухих хрипов. Установлен ряд закономерностей, характерных для рассматриваемых структур. Оценены пороговые значения скоростей потока, при которых начинают возникать тональные звуковые колебания. Показано, что с увеличением относительного расстояния между стенозом, формирующим струю, и препятствием пороговые числа Рейнольдса и пороговые частоты тональных сигналов имеют тенденцию к уменьшению, а пороговые числа Струхаля - к увеличению.

Висунуто гіпотезу про один з можливих механізмів виникнення сухих хрипів (тональних звукових сигналів) у бронхіальному дереві людини при його патологіях. Припускається, що в'язке мокротиння, яке виділяється в уражених повітроносних шляхах, може утворювати аеродинамічні структури типу сопло-струмінь-перешкода. При акті дихання роль сопла відіграє стеноз, який формує швидкісний струмінь. Роль перешкоди можуть відігравати інший стеноз, розгалуження повітроносних шляхів і деякі мокротинні утворення. Для перевірки висунутої гіпотези використовувалась експериментальна установка в складі фізичної моделі повітроносного шляху, а також апаратури для реєстрації та обробки звукових сигналів й оцінки швидкості потоку повітря. В результаті експериментів знайдено, що наявність у повітроносних шляхах указаних аеродинамічних структур може забезпечувати ефективне перетворення енергії потоку в енергію звукових коливань, спектри яких багато в чому подібні до спектрів сухих хрипів. Встановлений ряд закономірностей, що характерні для розглянутих аеродинамічних структур. Оцінені порогові значення швидкостей потоку, при яких починають виникати тональні звукові коливання. Показано, що зі збільшенням відносної відстані між стенозом, який формує струмінь, і перешкодою порогові числа Рейнольдса й порогові частоти тональних сигналів мають тенденцію до зменшення, а порогові числа Струхаля - до збільшення.

A hypothesis about one of possible mechanisms of occurrence of wheezes (tonal sound signals) in a human bronchial tree at its pathologies is put forward. It is supposed that viscous sputum allocated in affected airways, can form aerodynamic structures of the nozzle-jet-obstruction type. At the act of breathing a stenosis forming a high-speed jet plays the role of a nozzle. The other stenosis, bifurcation of the airways or the sputum formations can play the role of an obstruction. To check the mentioned hypothesis the experimental installation was used. This last included the physical model of an airway along with the equipment for registration and processing of the sound signals and estimation of the airflow velocity. As a result of experiments it was shown that presence of the specified aerodynamic structures can provide an efficient transformation of energy of the stream in airways into energy of the sound fluctuations, which spectra are very similar to the spectra of the wheezes. A number of laws, being characteristic for the considered structures, is established. The threshold values of the flow velocities at which the tonal sound fluctuations start to arise are estimated. It is shown that with increasing the relative distance between a stenosis forming a jet and an obstruction, the threshold Reynolds numbers and the threshold frequencies of the tonal signals tend to decrease, and the threshold Strouhal numbers - to increase.