Физические основы действия ультразвуковых волн на вещество. Низкочастотный и высокочастотный ультразвук

Ультразвуком называют упругие механические колебания и волны, частота которых превышает 20 кГц, распространяющиеся в форме продольных волн в различных средах. Верхним пределом УЗ частот считают 106 - 107 кГц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит, от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется УЗ волна.

Источники и приемники акустических колебаний и ультразвука (рис. 1).

Ультразвук получается с помощью аппаратов, основанных на использовании явлений магнитострикции (при низких частотах) или обратного пьезоэлектрического эффекта (при высоких). Магнитострикция заключается в изменении длины (удлинение и укорочение) ферромагнитного стержня, помещенного в высокочастотное магнитное поле, с частотой изменения направления поля.

Рис. 1 - Магнитострикционный излучатель УЗ: 1 – волновод, 2 – концентратор звуковой волны, 3 – сердечник, 4 – обмотка магнитострикционного преобразователя, 5 – провода к генератору электрических колебаний

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размера (удлинение и укорочение) кристаллической пластинки (кварц, сегнетова соль, титанат бария) под действием высокочастотного электрического поля (до 3 мГц).

Рис. 2 - Пьезоэлектрический излучатель УЗ

Электромагнитные излучатели

- получение колебаний подвижной механической системой под действием электромагнита, возбуждаемого переменным током 10¸200Гц - 1¸2кГц (рис. 2).

Электродинамические излучатели - взаимодействие магнитных полей неподвижного постоянного магнита и звуковой катушки (или стержня), питаемой переменным током (50 - 5000 Гц).

Существуют также и аэро- и гидродинамические излучатели низкочастотного ультразвука.

Приемники УЗ - электроакустические преобразователи. К ним относятся в первую очередь пьезоэлектрические преобразователи, магнитострикционные, полупроводниковые и пьезополупроводниковые, электростатические приемники и электродинамические.

Термические приемники - для измерения интенсивности УЗ.

Колебания размеров тела, усиленные путем использования явления резонанса (т.е. когда частота приложенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки), вызывают в окружающей тело жидкой или газообразной среде продольную упругую УЗ волну.

УЗ волна, как и звуковая, состоит из чередующихся участков сгущения и разрежения частиц среды. Скорости распространения звуковых и УЗ волн примерно одинаковы. Длина УЗ волн значительно меньше длины звуковых волн. В связи с этим УЗ волны от плоского источника распространяются направленным потоком (УЗ луч) и легко фокусируются. УЗ волна имеет значительно большую интенсивность, чем звуковая. Она может достигать порядка нескольких ватт на квадратный сантиметр, а при фокусировке волны в небольшом объеме среды - сотен и тысяч Вт/см3. Если I = 10 Вт/см3, то это в 10000 раз больше силы звука в воздухе от большого оркестра при его максимальном звучании (10-3 Вт/см2).

В зависимости от частоты принято делить ультразвук на 3 диапазона: низкой (1.5.104 – 105 Гц), средней (105 – 107 Гц) и высокой (107 – 109 Гц) частоты.

Биологическое действие ультразвука во многом определяется частотой ультразвуковой волны, а поэтому различается для низкочастотных и высокочастотных ультразвуковых колебаний.

При распространении ультразвуковых колебаний в среде их интенсивность ослабевает (для многих сред обратно пропорционально квадрату расстояния от источника). Потеря энергии происходит вследствие поглощения ультразвуковых колебаний средой, которое зависит от вязкости и теплопроводности среды. УЗ волны особенно высокой частоты, порядка сотен килогерц, сильно поглощаются воздухом, а также отражаются от поверхности раздела твердой или жидкой среды и газа. Поэтому контакт между источником УЗ и облучаемой средой не должен содержать воздушной прослойки. Из биологических сред наименьшее поглощение ультразвуковых волн характерно для жировых тканей. В мышечной ткани поглощение ультразвука вдвое выше, а в сером веществе мозга – в 2 раза больше, чем в белом. Поглощение ультразвука тканями существенно зависит от частоты ультразвуковых колебаний – растет с увеличением частоты. Поэтому низкочастотный ультразвук поглощается тканями слабее, чем высоко- и среднечастотный, а проникает на значительно большую глубину. В среднем, ультразвук частотой 22-44 кГц может проникать на глубину до 16-24 см, в то время как ультразвук частотой 800 кГц – на 7-9 см.