Действие ультразвука на клетки

Характеристика и получение ультразвука

Ультразвук — это упругие механические колебания среды, аналогичные звуковым, но имеющие более высо­кую частоту. Диапазон звуковых колебаний простирает­ся от 20 Гц до 20 кГц, ультразвуковых — от 20 кГц до 20 МГц. Ультразвук распространяется в среде с той же скоростью, что и звук: в воздухе — 333 м/с, в воде — 1500 м/с.

Ультразвуковые волны при своем распространении переносят энергию. Количество энергии, проходящей че­рез единицу площади за единицу времени, называется интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразву­ка при одинаковой частоте колебаний определяется ам­плитудой колебаний. Обычно в медицине используется ультразвук интенсивностью до 3 Вт/см², а в биологиче­ских исследованиях — до 1000 Вт/см².

При прохождении ультразвука частицы среды совер­шают периодические колебания обычно вдоль направ­ления распространения ультразвука. При своем переме­щении частицы создают переменное давление в среде,

245

которое изменяется с частотой ультразвуковых колеба­ний. Если ультразвуковые колебания синусоидальной формы, то и давление в каждой точке среды будет из­меняться по синусоидальному закону. В течение полу­периода колебаний давление в каждой точке среды повышается, а в течение второго полупериода понижает­ся. Точно так же через длину, равную полуволне, чере­дуются области повышенного и пониженного давления с расстоянием.

Источником ультразвука могут быть как естествен­ные явления, так и искусственные установки — генера­торы ультразвука. Естественными источниками ультра­звука являются животные, издающие ультразвук, на­пример кузнечики, саранча, сверчки, летучие мыши. Все эти животные воспроизводят ультразвук и воспринима­ют его специальными рецепторными аппаратами. Лету­чие мыши, например, издают ультразвук с частотой 70 — 80 кГц. Создаваемые ими колебания отражаются от ок­ружающих предметов и воспринимаются специальными механорецепторами. С помощью своего ультразвукового локатора летучие мыши очень тонко ориентируются в полете. Ультразвук слышат и некоторые другие живот­ные (дельфины, кошки, собаки, грызуны). Их слуховой аппарат настроен на более широкий диапазон звуковых колебаний. Источником ультразвука может быть и не­живая природа: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе некоторых дви­гателей и станков.

В технике ультразвук получают с помощью генерато­ров. Один из лучших методов получения ультразвука большой интенсивности состоит в использовании магни-тострикционного эффекта. Явление магнитострикции за­ключается в изменении длины стержня или трубки из ферромагнитного материала, помещенных в переменное магнитное поле параллельно направлению силовых ли­ний. Это изменение длины стержня обратимо. Если пер­воначально намагниченный стержень поместить в маг­нитное поле переменного тока (в соленоид), то он будет сокращаться и расширяться с двойной частотой поля. Если стержень первоначально был не намагничен, то он будет колебаться с той же частотой, что и магнитное поле. Если периоды собственных колебаний стержня и магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальной, а так как колебания стержня

246

продольные, то ультразвуковая волна будет исходить из концов стержня. Наиболее часто применяют стержни из никеля, дающие хороший магнитострикционный эффект. Для получения ультразвуковых колебаний использу­ют также обратный пьезоэлектрический эффект, кото­рый заключается в возникновении механических напря­жений в некоторых кристаллах при нанесении на соот­ветствующие грани кристалла электрических зарядов. При изготовлении генератора из пьезоэлектрического материала определенным образом вырезают пластинку. На определенные грани пластинки с помощью электро­дов накладывают переменное электрическое поле. В ре­зультате этого возникает движение кристалла, заклю­чающееся в попеременном расширении и сжатии между указанными гранями с частотой колебания электриче­ского поля. Если одна грань кристалла неподвижно прикреплена к массивному блоку, то другая колеблется вверх и вниз как поршень, создавая в прилегающей к грани среде механические колебания. Наилучшим пьезо­электрическим кристаллом в данное время является кварц, хотя другие кристаллы также находят примене­ние (турмалин, сегнетова соль, фосфорнокислый аммо­ний).