Применение ультразвука. Старт в науке

Частоты 16 Гц- 20 кГц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми или акустическими, например писк комара «10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими вне этого диапазона — инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов, в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука, частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики только в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования УЗ, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Что такое ультразвук

Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике.

Вот основные из них:

• Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков, по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет в оптически непрозрачных средах формировать звуковые изображения, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
• Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
• Возможность получения высоких значений интенсивности колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения, поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические физические, химические, биологические и медицинские эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

История ультразвука

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав — Англии и Франции, т.к. акустический — единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука — 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными — звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» от греческого слова, означающего «нажать». Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии — Константином Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена — Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-Упсихиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

1. получение информации посредством ультразвука
2. воздействие на вещество, существо
3. обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется для:

• контроля протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определения прочностных характеристик и состава материалов,
• определения наличия примесей,
• определения скорости течения жидкости и газа

С помощью ультразвука можно стирать, отпугивать грызунов, использовать в медицине, проверять различные материалы на наличие дефектов и еще много чего интересного.

Волн начались более ста лет назад, только последние полвека они стали широко использоваться в различных областях человеческой деятельности. Это связано с активным развитием как квантового и нелинейного разделов акустики, так и квантовой электроники и физики твердого тела. Сегодня ультразвук - это не просто обозначение высокочастотной области акустических волн, а целое научное направление в современной физике и биологии, с которым связаны промышленные, информационные и измерительные технологии, а также диагностические, хирургические и лечебные методы современной медицины.

Что это?

Все звуковые волны можно подразделить на слышимые человеком — это частоты от 16 до 18 тыс. Гц, и те, которые находятся вне диапазона людского восприятия — инфра- и ультразвук. Под инфразвуком понимаются волны аналогичные звуковым, но с воспринимаемых человеческим ухом. Верхней границей инфразвуковой области считается 16 Гц, а нижней - 0,001 Гц.

Ультразвук - это тоже звуковые волны, но только их частота выше, чем может воспринять слуховой аппарат человека. Как правило, под ними понимают частоты от 20 до 106 кГц. Верхняя их граница зависит от среды, в которых эти волны распространяются. Так, в газовой среде предел составляет 106 кГц, а в твердых телах и жидкостях он достигает отметки в 1010 кГц. В шуме дождя, ветра или водопада, грозовых разрядах и в шуршании перекатываемой морской волной гальки есть ультразвуковые компоненты. Именно благодаря способности воспринимать и анализировать волны ультразвукового диапазона киты и дельфины, летучие мыши и ночные насекомые ориентируются в пространстве.

Немного истории

Первые исследования ультразвука (УЗ) были проведены еще в начале XIX века французским ученым Ф. Саваром (F. Savart), стремившимся выяснить верхний частотный предел слышимости человеческого слухового аппарата. В дальнейшем изучением ультразвуковых волн занимались такие известные ученые, как немец В. Вин, англичанин Ф. Гальтон, русский с группой учеников.

В 1916 году физик из Франции П. Ланжевен, в сотрудничестве с русским ученым-эмигрантом Константином Шиловским, смог использовать кварц для приема и излучения ультразвука для морских измерений и обнаружения подводных объектов, что позволило исследователям создать первый гидролокатор, состоявший из излучателя и приемника ультразвука.

В 1925 году американец В. Пирс создал прибор, называемый сегодня интерферометром Пирса, измеряющий с большой точностью скорости и поглощение ультразвука в жидких и газовых средах. В 1928 году советский ученый С. Соколов первым стал использовать ультразвуковые волны для обнаружения различных дефектов в твердых, в том числе и металлических, телах.

В послевоенные 50-60-е годы, на основе теоретических разработок коллектива советских ученых, возглавляемых Л. Д. Розенбергом, начинается широкое применение УЗ в различных промышленных и технологических областях. В это же время, благодаря работам английских и американских ученых, а также исследованиям советских исследователей, таких как Р. В. Хохлова, В. А. Красильникова и многих других, быстро развивается такая научная дисциплина, как нелинейная акустика.

Примерно тогда же предпринимаются первые попытки американцев использовать ультразвук в медицине.

Советский ученый Соколов еще в конце сороковых годов прошлого века разработал теоретическое описание прибора, предназначенного для визуализации непрозрачных объектов - «ультразвукового» микроскопа. Основываясь на этих работах, в середине 70-х годов специалисты из Стэндфордского университета создали прототип сканирующего акустического микроскопа.

Особенности

Имея общую природу, волны слышимого диапазона, равно как и ультразвуковые, подчиняются физическим законам. Но у ультразвука есть ряд особенностей, позволяющих широко его использовать в различных областях науки, медицины и техники:

1. Малая длина волны. Для наиболее низкого ультразвукового диапазона она не превышает нескольких сантиметров, обуславливая лучевой характер распространения сигнала. При этом волна фокусируется и распространяется линейными пучками.

2. Незначительный период колебаний, благодаря чему ультразвук можно излучать импульсно.

3. В различных средах ультразвуковые колебания с длиной волны, не превышающей 10 мм, обладают свойствами, аналогичными световым лучам, что позволяет фокусировать колебания, формировать направленное излучение, то есть не только посылать в нужном направлении энергию, но и сосредотачивать ее в необходимом объеме.

4. При малой амплитуде существует возможность получения высоких значений энергии колебаний, что позволяет создавать высокоэнергетические ультразвуковые поля и пучки без использования крупногабаритной аппаратуры.

5. Под воздействием ультразвука на среду возникает множество специфических физических, биологических, химических и медицинских эффектов, таких как:

• диспергирование;
• кавитация;
• дегазация;
• локальный нагрев;
• дезинфекция и мн. др.

Виды

Все ультразвуковые частоты подразделяются на три вида:

• УНЧ - низкие, с диапазоном от 20 до 100 кГц;
• УСЧ - среднечастотные - от 0,1 до 10 МГц;
• УЗВЧ - высокочастотные - от 10 до 1000 МГц.

Сегодня практическое использование ультразвука - это прежде всего применение волн малой интенсивности для измерений, контроля и исследований внутренней структуры различных материалов и изделий. Высокочастотные используются для активного воздействия на различные вещества, что позволяет изменять их свойства и структуру. Диагностика и лечение ультразвуком многих заболеваний (при помощи различных частот) является отдельным и активно развивающимся направлением современной медицины.

Где применяется?

В последние десятилетия ультразвуком интересуются не только научные теоретики, но и практики, все более активно внедряющие его в различные виды человеческой деятельности. Сегодня ультразвуковые установки используются для:

Получение информации о веществах и материалах	Мероприятия		Частота в кГц
	Исследование состава и свойств веществ	твердые тела
		жидкости
	Контроль размеров и уровней
	Гидролокация
	Дефектоскопия
	Медицинская диагностика
Воздействия на вещества	Пайка и металлизация
	Пластическое деформирование
	Механическая обработка
	Эмульгирование
	Кристаллизация
	Распыление
	Коагуляция аэрозолей
	Диспергирование
	Химические процессы
	Воздействие на горение
	Хирургия
Обработка и управление сигналами	Акустоэлектронные преобразователи
	Линии задержки
	Акустооптические устройства

В современном мире ультразвук — это важный технологический инструмент в таких промышленных отраслях, как:

• металлургическая;
• химическая;
• сельскохозяйственная;
• текстильная;
• пищевая;
• фармакологическая;
• машино- и приборостроительная;
• нефтехимическая, перерабатывающая и другие.

Кроме этого, все более широко используется ультразвук в медицине. Вот об этом мы и поговорим в следующем разделе.

Использование в медицине

В современной практической медицине существует три основных направления использования ультразвука различных частот:

1. Диагностическое.

2. Терапевтическое.

3. Хирургическое.

Рассмотрим более подробно каждое из этих трех направлений.

Диагностика

Одним из наиболее современных и информативных методов медицинской диагностики является ультразвуковой. Его несомненные достоинства - это: минимальное воздействие на человеческие ткани и высокая информативность.

Как уже говорилось, ультразвук — это звуковые волны, распространяющиеся в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Если на их пути находятся области с различными акустическими плотностями, то часть колебаний отражается, а другая часть преломляется, продолжая при этом свое Таким образом, чем больше разница в плотности пограничных сред, тем больше ультразвуковых колебаний отражается. Современные методы ультразвукового исследования можно подразделить на локационные и просвечивающие.

Ультразвуковая локация

В процессе такого исследования регистрируются отраженные от границ сред с различными акустическими плотностями импульсы. При помощи перемещаемого датчика можно установить размер, расположение и форму исследуемого объекта.

Просвечивание

Этот метод основан на том, что различные ткани человеческого организма по-разному поглощают ультразвук. Во время исследования какого-либо внутреннего органа в него направляют волну с определенной интенсивностью, после чего специальным датчиком регистрируют прошедший сигнал с обратной стороны. Картина сканируемого объекта воспроизводится на основе изменения интенсивности сигнала на «входе» и «выходе». Полученная информация обрабатывается и преобразуется компьютером в виде эхограммы (кривой) или сонограммы - двухмерного изображения.

Допплер-метод

Это наиболее активно развивающийся метод диагностики, в котором используются как импульсный, так и непрерывный ультразвук. Допплерография широко применяется в акушерстве, кардиологии и онкологии, так как позволяет отслеживать даже самые незначительные изменения в капиллярах и небольших кровеносных сосудах.

Области применения диагностики

Сегодня ультразвуковые методы визуализации и измерений наиболее широко применяются в таких областях медицины, как:

• акушерство;
• офтальмология;
• кардиология;
• неврология новорожденных и младенцев;
• исследование внутренних органов:

Ультразвук почек;

Желчного пузыря и протоков;

Женской репродуктивной системы;

• диагностика наружных и приповерхностных органов (щитовидной и молочных желез).

Использование в терапии

Основное лечебное воздействие ультразвука обусловлено его способностью проникать в человеческие ткани, разогревать и прогревать их, осуществлять микромассаж отдельных участков. УЗ может быть использован как для непосредственного, так и для косвенного воздействия на очаг боли. Кроме того, при определенных условиях эти волны оказывают бактерицидное, противовоспалительное, обезболивающее и спазмолитическое действие. Используемый в терапевтических целях ультразвук условно подразделяют на колебания высокой и низкой интенсивности.

Именно волны низкой интенсивности наиболее широко применяется для стимуляции физиологических реакций или незначительного, не повреждающего нагрева. Лечение ультразвуком дало положительные результаты при таких заболеваниях, как:

• артрозы;
• артриты;
• миалгии;
• спондилиты;
• невралгии;
• варикозные и трофические язвы;
• болезнь Бехтерева;
• облитерирующие эндартерииты.

Проводятся исследования, во время которых используется ультразвук для лечения болезни Меньера, язв двенадцатиперстной кишки и желудка, бронхиальной астмы, отосклероза.

Ультразвуковая хирургия

Современная хирургия, использующая ультразвуковые волны, подразделяется на два направления:

Избирательно разрушающая участки ткани особыми управляемыми ультразвуковыми волнами высокой интенсивности с частотами от 10 6 до 10 7 Гц;

Использующая хирургический инструмент с наложением ультразвуковых колебаний от 20 до 75 кГц.

Примером избирательной УЗ-хирургии может послужить дробление камней ультразвуком в почках. В процессе такой неинвазивной операции ультразвуковая волна воздействует на камень через кожу, то есть снаружи человеческого тела.

К сожалению, подобный хирургический метод имеет ряд ограничений. Нельзя использовать дробление ультразвуком в следующих случаях:

Беременным женщинам на любом сроке;

Если диаметр камней более двух сантиметров;

При любых инфекционных заболеваниях;

При наличии болезней, нарушающих нормальную свертываемость крови;

В случае тяжелых поражений костной ткани.

Несмотря на то что удаление ультразвуком почечных камней проводится без операционных разрезов, оно довольно болезненное и выполняется под общей или местной анестезией.

Хирургические ультразвуковые инструменты используются не только для менее болезненного рассечения костных и мягких тканей, но и для уменьшения кровопотерь.

Обратим свой взор в сторону стоматологии. Ультразвук камни зубные удаляет менее болезненно, да и все остальные манипуляции врача переносятся гораздо легче. Кроме того, в травматологической и ортопедической практике ультразвук используется для восстановления целостности сломанных костей. Во время таких операций пространство между костными отломками заполняют специальным составом, состоящим из костной стружки и особой жидкой пластмассы, а затем воздействуют ультразвуком, благодаря чему все компоненты крепко соединяются. Те, кто перенес хирургические вмешательства, в ходе которых использовался ультразвук, отзывы оставляют разные - как положительные, так и отрицательные. Однако следует отметить, что довольных пациентов все же больше!

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Ультразвук - упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных областях физики, технологии, химии и медицины.

Источники Ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.Примеры излучателей:свисток Гальтона,жидкостный и ультразвуковой свисток,сирена.

Распространение ультразвука.

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной

скоростью.

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1-0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие её ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Ультразвук широко применяется в косметологии и физиотерапии, и представляет собой высокочастотные механические колебания частиц среды, которые распространяются в ней в виде попеременных сжатий и разрежений вещества. Частота ультразвуковых колебаний лежит в неслышном акустическом диапазоне (выше 16 кГц).

В физиотерапии и косметологии используют ультразвук частотой 24-42 кГц, 800-900 кГц или около 3000 кГц.

Основными физическими параметрами и величинами , которые используются для оценки свойств ультразвука, являются частота и интенсивность ультразвуковых колебаний.

Частота ультразвука

Частота колебаний - это число чередований сжатий и разряжений в единицу времени. Единица измерения в СИ - герц (Гц). 1 Гц - одно колебание в секунду. В терапевтической практике ультразвук используют в диапазоне частот 800-3000 кГц (1 кГц=1000 Гц). Выбор частоты ультразвука зависит от глубины расположения органов и тканей, подлежащих воздействию. При поверхностном их расположении применяют ультразвук высокой частоты (3 МГц), при более глубоком - более низкие частоты.

Глубина проникновения ультразвука

Глубина проникновения УЗ-колебаний зависит от их частоты . Чем больше частота колебаний, тем меньше глубина проникновения и наоборот.

• При частоте 1600-3000 кГц ультразвук проникает на глубину 1-1,5 см (поглощается кожей).
• при частоте 800-900 кГц - на 4-5 см.
• при частоте 20-45 кГц проникает на глубину 8-14 см.

При этом следует иметь ввиду, что глубина проникновения веществ при фонофорезе значительно меньше, чем глубина проникновения ультразвуковых волн (колебаний).

Интенсивность ультразвука

Интенсивность ультразвуковых колебаний - это количество энергии, проходящее через 1 см² площади излучателя аппарата в течение 1 секунды. Единица измерения в системе СИ - Вт/см². Применяемую в физиотерапевтической и косметологической практике интенсивность ультразвуковых колебаний условно подразделяют на:

• малую (0,05-0,4 Вт/см²)
• среднюю (0,5-0,8 Вт/см²)
• большую (0,9-1,2 Вт/см²)

малая интенсивность оказывает стимулирующее действие

средняя - коррегирующее действие (противовоспалительное, обезболивающее)

большая - рассасывающее действие.

Из новых методик интересна так называемая «ультразвуковая липосакция» - применение низкочастотного (20-45 кГц) ультразвука со сверхбольшой интенсивностью - до 3 Вт/см².

Скорость распространения ультразвука в различных средах

Скорость распространения ультразвуковых колебаний в тканях зависит от плотности среды и величины акустического сопротивления. Чем плотнее ткань, тем больше скорость распространения ультразвука. Так, в воздухе она равна 330 м/с, в воде - 1500 м/с, в сыворотке крови - 1060-1540 м/с, в костной ткани - 3350 м/с. Поэтому в неоднородных средах, какими являются ткани организма, распространение ультразвука происходит неравномерно. Таким образом, максимум поглощения ультразвуковой энергии наблюдается в костной ткани, на границе разных тканей, а также на внутренних мембранах клеток.