Физические характеристики, свойства и источники ультразвука

Ультразвуком (УЗ) принято называть механические (упругие) колебания и вол­ны, частоты которых превышают частоты звука (20 ÷ 20000 Гц), воспринимае­мых ухом человека. Такое определение сложилось истори­чески, однако нижняя граница ультразвука, связанная с субъ­ективными ощущениями человека, не может быть четкой, по­скольку некоторые люди не могут слышать звуки с частотами в 10 кГц, а есть люди, воспринимающие частоты в 25 кГц. Для внесения четкости ГОСТ-ом 12.1.001 – 83 г. нижняя границы ультразвука установлена равной в 11,12 кГц.

Верхняя граница ультразвука обусловлена физической при­родой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины сво­бодного пробега молекул в газах (~ 10^-6 м) или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах (~ 10^-10 м). Это дает в качестве верхней границы для газов частоту порядка 1 ГГц (10⁹ Гц), а для жидкостей и твёрдых тел частоту 10¹³ Гц. Упругие волны с частотами более 1 ГГц называют гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона или инфразвука, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, рассеяния и т. п.). Ско­рости распространения УЗ волн примерно такие же, как и ско­рости акустических волн, а поэтому длины ультра­звуковых волн значительно меньше. Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука происходит на объектах мень­ших размеров, чем для слышимого звука. Фокусировка ультразвука позволяет концентрировать звуковую энергию, по­лучая при этом большие интенсивности.

Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, очень велико, что обусловлено его ма­лой длиной волны. Однако, как и для обычного звука, затуха­ние ультразвука определяется не только его поглощением, но и отражением на границах раздела сред, отличающихся своими акустическими сопротивлениями. Этот фактор имеет большое значение при распространении ультразвука в живых организ­мах, ткани которых обладают самыми различными акустически­ми сопротивлениями. Так как акустическое сопротивление биологических тканей в сред­нем в сотни раз превышает акустическое сопротивление возду­ха, то па границе воздух – ткань происходит практически пол­ное отражение ультразвука. Это создает определенные трудно­сти при ультразвуковой терапии, так как слой воздуха всего в 0,01 мм между излучателем и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука. Поскольку избежать прослоек воздуха между кожей и излучателем невозможно, для заполне­ния имеющихся между ними неровностей используют специаль­ные контактные вещества, которые должны удовлетворять опре­деленным требованиям. В качестве контактных веществ обыч­но используют вазелиновое масло, глицерин, ланолин и даже воду.

Получение и регистрация ультразвука

Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы. К механическим генераторам относят газоструйные излуча­тели, например, свисток Гальтона и сирены. Свисток Гальтона – короткая, закрытая с одного конца трубка с острыми краями, на которые направляется воздушная струя. Свистки Гальтона позволяют полу­чать ультразвук с частотой до 50 кГц.

Сирены представляют собой два соосных диска с отверстиями, один из которых вращается, а другой неподвижен. Перпендикулярно плоскости дисков продувается мощная струя воздуха. В результате прерывания этой струи при её прохождения через отверстия возникают УЗ колебания частотой до 500 кГц.

Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию механических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезо­электрические и магнитострикционные излучатели.

В 1880 г. французские ученые Пьер и Жак Кюри открыли явление, получившее название пьезоэлектрического эффекта (греч. пьезо – давлю). Если вырезать определенным образом из кристаллов некоторых веществ (кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и др.) пластинку и сжать ее, то на ее гранях появятся разноименные электрические заряды. При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются. Пьезоэлектрический эффект обратим. Это означает, что если кристалл поместить в электрическое переменное поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от на­правления вектора напряженности этого поля. Деформация кристалла будет происходить в такт с изменениями направлениям вектора напряженности, и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т. е. продольную механическую волну.

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемни­ках ультразвука, в которых механические колебания преобразу­ются в электрические.

Пьезоизлучатели позволяют получить УЗ колебания частотой до 50 МГц.

Преобразователи другого типа основаны на явлении магнитострикции (лат. strictura – сжимание). Это явление заключа­ется в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается в зависимости от направления намагничивания. Если стержень поместить в переменное маг­нитное поле, то его длина будет меняться в такт с изменения­ми электрического тока, создающего магнитное поле. Деформа­ция стержня создает механическую волну в окружающей среде. Для изготовления магнитострикционных преобразователей применяют пермендюр, никель, железоалюминиевые сплавы – альсифёры. У них большие величины относительных деформа­ций, большая механическая плотность и меньшая чувствитель­ность к температурным воздействиям. Магнитострикционные преобразователи применяются для генерирования низкочастотных (до 200 кГц) УЗ колебаний.

В современной ультразвуковой аппаратуре используют оба вида преобразователей. Для медицинских целей обычно используют ге­нераторы небольшой мощности (10÷20 Вт)