Ультразвук, джерела ультразвукових коливань (УЗК)

Лекція №

Ультразвуком називають звукові коливання, частота яких займає діапазон від 20 кГц до 1010 Гц. Верхня межа прийнята цілком умовно з таких міркувань, що довжина хвилі в речовині та тканинах для такої частоти виявляється сумірна з міжмолекулярними відстанями з урахуванням того, що швидкість поширення УЗ у воді та тканинах однакова. Усунення в УЗ хвилі описується раніше розглянутим рівнянням хвилі.

Найбільшого поширення, як у техніці, і у медичної практиці отримали пьезоэлектрические випромінювачі УЗ. П'єзоелектричним випромінювачами є кристали кварцу, титанату барію, сегнетової солі та ін. П'єзоефектом (прямим) називають явище виникнення на поверхнях згаданих кристалічних пластинок протилежних за знаком зарядів під дією механічних деформацій (рис.3а). Після зняття деформації заряди зникають.

Існує і зворотний п'єзоефект, який знайшов застосування і в медичній практиці для отримання високочастотного УЗ. Якщо на срібні грані поверхні пластинки п'єзоелемента (рис.3б) подати змінну напругу від генератора, то кварцова пластинка прийде в такт змінної напруги генератора. Амплітуда коливань буде максимальною, коли власна частота кварцової платівки (ν0) збігається з частотою генератора (? г), тобто. настане резонанс (? 0 =? г). Приймач УЗ можна створити на основі прямого п'єзоелектричного ефекту. При цьому під впливом УЗ-хвиль відбувається деформація кристала, що призводить до появи змінної напруги, яка може бути виміряна або зафіксована на екрані електронного осцилографа після його попередньогопосилення.

Ультразвук може вийти за допомогою апаратів, заснованих на явищі магнітострикції (для отримання низьких частот), яка полягає у зміні довжини (подовженні та укороченні) феромагнітного стрижня, поміщеного у високочастотне магнітне поле. Торці цього стрижня випромінюватимуть низькочастотний УЗ. Крім зазначених джерел УЗ є механічні джерела (сирени, свистки), у яких механічна енергія перетворюється на енергію УЗ коливань.

За своєю природою УЗ, як і звук, є механічною хвилею, що розповсюджується в пружному середовищі. Швидкості поширення звукових та ультразвукових хвиль приблизно однакові. Однак довжина хвилі УЗ значно менша, ніж звуку. Це дозволяє легко сфокусувати УЗ коливання.

Ультразвукова хвиля має значно більшу інтенсивність, ніж звукова, внаслідок великої частоти вона може досягати кількох Ват на квадратний сантиметр (Вт/см 2 ), а при фокусуванні можна отримати УЗ з інтенсивністю 50 Вт/см 2 і більше.

Поширення УЗ в середовищі відрізняється (завдяки малій довжині хвилі) та іншою особливістю - рідини та тверді тіла є хорошими провідниками УЗ, а повітря і газ - погані. Так, у воді за інших рівних умов УЗ загасає в 1000 разів слабше, ніж у повітрі. При поширенні УЗ у неоднорідному середовищі виникає відбиток його та заломлення. Відображення УЗ межі двох середовищ залежить від співвідношення їх хвильових опорів. Якщо УЗ у середовищі з w1 = r1J1 падає перпендикулярно на плоску поверхню другої середовища з w2 = r2J2 то частина енергії пройде через граничну поверхню, а частина відобразиться. Коефіцієнт відображення дорівнюватиме нулю, якщо r1J1 = r2J2 тобто. УЗ-енергія не відбиватиметься від межі розділу поверхонь, а переходитиме з одного середовища віншу без втрат. Для меж розділу повітря-рідина, рідина-повітря, тверде тіло-повітря і навпаки коефіцієнт відображення дорівнюватиме майже 100%. Пояснюється це тим, що повітря має дуже мале акустичне опір.

Ось тому у всіх випадках зв'язку випромінювача УЗ з опроміненим середовищем, наприклад, з тілом людини, необхідно суворо стежити, щоб між випромінювачами і тканиною не було навіть мінімального повітряного шару (хвильовий опір біологічних середовищ у 3000 разів більший за хвильовий опір повітря). Щоб унеможливити повітряний шар, поверхня УЗ випромінювача покривається шаром олії або воно наноситься тонким шаром на поверхню тіла.

При поширенні УЗ у середовищі виникає звуковий тиск, який коливається, приймаючи позитивне значення в області стиснення і негативне в наступній за ним області розрядження. Так, наприклад, при інтенсивності ультразвуку 2 Вт/см 2 у тканинах людини створюється тиск у ділянці стиснення + 2,6 атм., яке в наступній області переходить у розрядження - 2,6 атм. (Рис.4). Стиснення та розрядження, що створюються ультразвуком, призводять до утворення розривів суцільної рідини з утворенням мікроскопічних порожнин (кавітація). Якщо цей процес відбувається в рідині, порожнечі заповнюються парами рідини або розчиненими в ній газами. Потім на місці порожнини утворюється ділянка стиснення речовини, порожнина швидко закривається, виділяється значна кількість енергії в малому обсязі, що призводить до руйнування мікроструктур речовини.