Отражение и преломление уз-волн при различных углах падения
• Первый критический угол.
Увеличиваем угол падения (рис. слева) до тех пор, когда уже продольная волна не вводится во вторую среду, а «скользит» вдоль границы раздела, т.е. αe=900. При этом угол падения принимает значение βe= βkp1. Например, для пары «оргстекло-сталь» первый критический угол βkp1=27,50.
• Пусть в диапазоне βe> βkp1 растет βe.(рис. центр) Во вторую среду вводится поперечная волна. При значении βe= βkp2 уже поперечная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред. Например, для пары «оргстекло-сталь» второй критический угол существует и равен 540. Заметим, что выполнение условия βkp1<β< βkp2 на практике используется как способ возбуждения поперечных волн.
• За вторым критическим углом во вторую среду уже ничто не вводится. Вдоль поверхности в этом случае распространяется неоднородная волна. Она самостоятельно не существует, в данном случае она «живет» за счет энергии падающей, является продольной, но на своем пути теряет энергию, переизлучая ее в поперечную (рис. справа), и с глубиной быстро затухает.
Действие уз на ткани
• При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия: механическое, тепловое и химическое.
1. Механическое действие.
В жидких средах при действии ультразвука амплитуда переменного давления изменяется в зависимости от плотности среды, скорости распространения УЗ-волн и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения (пониженное давление) жидкость может разорваться и в ней могут образоваться микрополости (каверны), заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией.
Растяжение, которое могут выдержать жидкости зависит от примесей в них (наличие газов и газовых пузырьков). При образовании каверн плотность жидкости понижается, а скорость колебательного движения частиц увеличивается. Таким образом УЗ-волны оказывает механическое действие, в основе которого лежит действие переменного давления, создающего кавитацию.
Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны. Исследованиями показано, что кавитация может быть использована для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток (сонопорация).
Разрушение лейкоцитов в поле стабильных, пульсирующих с частотой 20 кГц пузырьков начинается при увеличении амплитуды колебаний до 8 мкм, высвобождение гемоглобина из эритроцитов - при 15...20 мкм. Очевидно, что эти эффекты обусловлены возникновением достаточно больших гидродинамических усилий вблизи колеблющегося пузырька, нарушающих целостность клеточных мембран.
При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из популяций элодеи равен 75 мВт/см2 и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см2 (5 МГц). УЗ дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран.
Вопрос о кавитации в биологических тканях под действием ультразвука с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05-2 Вт/см2 является предметом многолетней дискуссии. Сложность идентификации кавитации в ткани обусловлена ее относительной непрозрачностью, препятствующей непосредственному наблюдению и затрудняющей применение оптических методов. Косвенным подтверждением возникновения кавитации в тканях могут служить «дыры», обнаруженные на гистологических препаратах тканей печени и других органов, облученных УЗ с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05-2 Вт/см2.