Ультразвук, источники ультразвуковых колебаний (УЗК). Особенности распространения ультразвуковых волн.

Лекция №

УЛЬТРАЗВУК. ИНФРАЗВУК.

Ультразвук, источники ультразвуковых колебаний (УЗК). Особенности распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуком называют звуковые колебания, частота которых занимает диапазон от 20 кГц до 10¹⁰ Гц. Верхний предел принят совершенно условно из таких соображений, что длина волны в веществе и тканях для такой частоты оказывается соизмерима с межмолекулярными расстояниями с учетом того, что скорость распространения УЗ в воде и тканях одинакова. Смещение в УЗ волне описывается ранее рассмотренным уравнением волны.

Наибольшее распространение, как в технике, так и в медицинской практике получили пьезоэлектрические излучатели УЗ. Пьезоэлектрическим излучателями служат кристаллы кварца, титаната бария, сегнетовой соли и др. Пьезоэффектом (прямым) называют явление возникновения на поверхностях упомянутых кристаллических пластинок противоположных по знаку зарядов под действием механических деформаций (рис.3а). После снятия деформации заряды исчезают.

Существует и обратный пьезоэффект, который нашел применение и в медицинской практике для получения высокочастотного УЗ. Если на посеребренные грани поверхности пластинки пьезоэлемента (рис.3б) подать переменное напряжение от генератора, то кварцевая пластинка придет в колебание в такт переменного напряжения генератора. Амплитуда колебаний будет максимальной, когда собственная частота кварцевой пластинки (ν₀) совпадает с частотой генератора (ν _г), т.е. наступит резонанс (ν ₀ = ν _г). Приемник УЗ можно создать на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. При этом под воздействием УЗ-волн происходит деформация кристалла, что приводит к появлению переменного напряжения, которое может быть измерено или зафиксировано на экране электронного осциллографа после предварительного его усиления.

Ультразвук может получатся с помощью аппаратов, основанных на явлении магнитострикции (для получения низких частот), которая заключается в изменении длины (удлинении и укорочении) ферромагнитного стержня, помещенного в высокочастотное магнитное поле. Торцы этого стержня будут излучать низкочастотный УЗ. Кроме указанных источников УЗ имеются механические источники (сирены, свистки), в которых механическая энергия преобразуется в энергию УЗ колебаний.

По своей природе УЗ, как и звук, является механической волной, распространяющейся в упругой среде. Скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн примерно одинаковы. Однако длина волны УЗ значительно меньше, чем звука. Это позволяет легко сфокусировать УЗ колебания.

Ультразвуковая волна обладает значительно большей интенсивностью, чем звуковая, вследствие большой частоты она может достигать нескольких Ватт на квадратный сантиметр (Вт/см²), а при фокусировке можно получить УЗ с интенсивностью 50 Вт/см² и более.

Распространение УЗ в среде отличается (благодаря малой длине волны) и другой особенностью - жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники УЗ, а воздух и газ - плохие. Так, в воде при прочих равных условиях УЗ затухает в 1 000 раз слабее, чем в воздухе. При распространении УЗ в неоднородной среде возникает отражение его и преломление. Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Если УЗ в среде с w₁ = r₁J₁ падает перпендикулярно на плоскую поверхность второй среды с w₂ = r₂J₂, то часть энергии пройдет через граничную поверхность, а часть отразится. Коэффициент отражения будет равен нулю, если r₁J₁ = r₂J₂ т.е. УЗ-энергия не будет отражаться от границы раздела поверхностей, а будет переходить из одной среды в другую без потерь. Для границ раздела воздух-жидкость, жидкость-воздух, твердое тело-воздух и наоборот коэффициент отражения будет равен почти 100%. Объясняется это тем, что воздух имеет очень малое акустическое сопротивление.

Вот поэтому во всех случаях связи излучателя УЗ с облучаемой средой, например, с телом человека, необходимо строго следить, чтобы между излучателями и тканью не было даже минимального воздушного слоя (волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ излучателя покрывается слоем масла или оно наносится тонким слоем на поверхность тела.

При распространении УЗ в среде возникает звуковое давление, которое колеблется, принимая положительное значение в области сжатия и отрицательное в следующей за ней области разряжения. Так, например, при интенсивности ультразвука 2 Вт/см² в тканях человека создается давление в области сжатия + 2,6 атм., которое в следующей области переходит в разряжение - 2,6 атм. (рис.4). Сжатие и разряжение, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошной жидкости с образованием микроскопических полостей (кавитация). Если этот процесс происходит в жидкости, то пустоты заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Затем на месте полости образуется участок сжатия вещества, полость быстро захлопывается, выделяется значительное количество энергии в малом объеме, что приводит к разрушению микроструктур вещества.