7.4. Звуковое давление и акустическая энергия

Акустические колебания, распространяясь в среде, создают добавочное давление к среднему, которое имеется в этой среде. Изменение давления в любой точке среды можно записать как

. (7.14)

Давление измеряется в барах (1 бар=1·10⁵ Па) или атмосферах (1 атм=1,01325·10⁵ Па).

Таким образом, звуковым давлением, или акустическим, называется добавочное давление, которое образуется в участках сгущения частиц акустической волны. Звуковое давление зависит от скорости колебаний частиц среды.

, (7.15)

где ; ;

 - плотность среды; с - скорость волны в среде; ρс - часто называют удельным акустическим импедансом;

, (7.16)

где .

Для плоской волны ρс называют волновым сопротивлением, которое определяет условие отражения и преломления ультразвуковых волн на границе раздела двух сред.

Затухание ультразвука определяется не только его поглощением, но и отражением на границе двух сред, которое характеризуется акустическим сопротивлением. Этот факт имеет большое значение при распространении ультразвука в живых организмах, ткани которых обладают самым различным акустическим сопротивлением (мышца, надкостница, кость). На границе воздух-ткань происходит почти полное отражение ультразвука. Это создает трудности при ультразвуковой терапии. Слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука. В качестве контактных веществ обычно используют вазелиновое масло, глицерин, ланолин.

Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы. К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены, которые создают ультразвук частотой 500 кГц. К электрическим относятся пьезопреобразователи и магнитострикционные преобразователи, дающие частоту 100 кГц.

Для медицинских целей используют генераторы мощностью 10-20 Вт.

7.5. Взаимодействие ультразвука с веществом

Звуковая волна, распространясь в среде, несет с собой определенную энергию. Количество энергии, переносимое звуковой волной за 1 секунду через площадку 1 см² перпендикулярно к направлению распространения, называется силой звука или интенсивностью. Для плоской бегущей волны интенсивность определяется как:

. (7.17)

Учитывая формулы (6.4) и (6.15), получим

.

Силу звука измеряют в ваттах на квадратный сантиметр (1 Вт/см²=10⁷ эрг/(с·см²)).

Из формулы (7.17) следует

или . (7.18)

Акустическое давление в воде, облученной ультразвуком ν=500 кГц и I=10⁸ эрг/(с·см²) будет равно 5,4 атм.

Так как , то можно рассчитать амплитуду колебаний

см. (7.19)

Найдем амплитуду ускоренных частиц:

см/с². (7.20)

Таким образом, максимальное ускорение колеблющихся частиц в 100000 раз больше, чем при действии силы тяжести. При распространении ультразвука возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву жидкости и образованию пузырьков, заполненных паром этой жидкости. Такое явление называется кавитацией. Для чистой воды порог кавитации P_k=1,5·10⁸ Па=1500 атм. Захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается сильным нагревом их содержимого. Вещество в кавитационной области подвергается сильным воздействиям.

При интенсивности меньше 3000 Вт/м² в жидкости могут возникать ультразвуковые потоки или "звуковой ветер", скорость которого достигает десятков метров в секунду.

Если в жидкости находятся частицы, которые обладают противоположными электрическими зарядами и разными массами, то в ультразвуковой волне эти частицы будут отклоняться от положения равновесия, и в поле волны возникнет переменная разность потенциалов - эффект Дебая. При больших разницах в массах потенциал Дебая может достигнуть десятков и сотен мегавольт. В УЗ-поле могут протекать как окислительные, так и восстановительные процессы. Одной из характерных реакций является расщепления молекул воды на радикалы H⁺ и ОН^- с последующим образованием перекиси водорода Н₂О₂.