Материал: Компендиум

энергии, приходящееся на единицу объема среды, в которой происходит перенос энергии.

энергии, нормально проходящего через площадь, к этой площади.

распространения энергии в среде, называется вектором Умова. Для упругих волн этот вектор может быть вычислен по

формуле: I A2 2 v .

2

16

УЛЬТРАЗВУК И ИНФРАЗВУК

1. Получение ультразвука (излучатели и приемники УЗ)

Механические волны с частотой выше 20 кГц называются ультразвуковыми. Диапазон ультразвуковых колебаний простирается до 109 Гц.

Для получения ультразвука используются электромеханические УЗ излучатели. Принцип действия таких излучателей основан на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта (электрострикции), сущность которого заключается в механической деформации тел под действием электрического поля.

УЗ излучатель (рисунок 7) состоит из пластины (1), выполненной из веществ с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль и т.д.), электродов (2) и генератора переменного электрического напряжения (3).

Рисунок 7. Ультразвуковой излучатель

При подаче на электроды переменного напряжения от генератора пластина начнет деформироваться. Величина деформации пропорциональна приложенному напряжению. Возникают вынужденные колебания, частота которых соответствует частоте генератора. Вибрация пластины приводит к возникновению механической волны соответствующей частоты.

Для получения ультразвука может быть использован также эффект, называемый магнитострикцией – возникновение механической деформации тел под действием магнитного поля. Изменяется длина ферромагнитного стержня (феррит никеля), помещенное в ВЧ магнитное поле катушки с частотой изменения направления поля (V до 105 Гц).

Приемник УЗ (рисунок 8) можно создать на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под действием

17

механической УЗ волны возникает деформация кристаллической пластины (1), которая приводит к генерации переменного электрического поля и появлению переменного напряжения на электродах (2). Это напряжение можно измерить регистрирующей системой (3).

Рисунок 8. Ультразвуковой приемник

2. Особенности распространения ультразвуковой волны: малая длина волны, направленность, поглощение, преломление, отражение

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330 м/с, в жидкости – 1500 м/с.

Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Так, например, для звука с частотой 1 кГц длина волны 1,5 м, а для ультразвука с частотой 1 МГц длина волны составляет 1,5 мм. Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука, т.е. тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны, но станет препятствием для ультразвуковой, т.е. за телом образуется УЗ тень. При определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.

При прохождении УЗ через вещество происходит его ослабление вследствие поглощения:

I I0e kx ,

где I и I0 интенсивности волны у поверхности вещества и на глубине х, соответственно, k – показатель поглощения, зависящий от свойств среды.

18

Поглощение УЗ в веществе весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. С уменьшением длины волны (т.е. с увеличением частоты) показатель поглощения k увеличивается.

При прохождении ультразвуковой волны через границу

меньше, чем второй.

Энергия падающей волны распределяется между преломленной и отраженной волнами. Чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большей энергией будет обладать отраженная волна. Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха, поэтому отражение на границе раздела воздух-кожа составляет 99,99%. Чтобы уменьшить отражение, необходимо избавиться от слоя воздуха между излучателем УЗ и кожей. Для этого поверхность кожи покрывают специальной смазкой, обладающей акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению кожи.

3. Взаимодействие УЗ с биологическими тканями: деформация, кавитация, выделение тепла, химические реакции

При распространении УЗ волны в веществе развиваются

19

деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением частиц в среде. В зависимости от значения интенсивности волны эти деформации могут вызвать либо незначительные изменения структуры, либо ее разрушение.

При распространении УЗ в жидкости в областях разряжения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву в сплошной жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости. Это явление называется кавитацией. Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становится больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации (Рк), для воды, например, Рк = 1,5·108 Па. Кавитация существует недолго, т.к. пузырьки быстро захлопываются. В результате вблизи захлопнувшихся пузырьков выделяется значительная энергия, происходит разогрев вещества, а также ионизация и диссоциация молекул.

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границам раздела сред с различными волновыми сопротивлениями. Это обусловлено тем, что при отражении интенсивность волны вблизи границы увеличивается, и, соответственно, возрастает количество поглощенной энергии.

Под воздействием УЗ в веществе могут происходить изменения в окислительно-восстановительных реакциях. При этом могут протекать даже такие реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. Так, например, возможна реакция расщепления молекулы воды на радикалы Н+ и ОН– с последующим образованием перекиси водорода Н2О2.

4. Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные

20