44. Поглощение и отражение акустических волн. Акустический импеданс.

Звуковое давление р зависит от скорости и колеблющихся час­тиц среды. Вычисления показывают, что

или

где  — плотность среды, с — скорость звуковой волны в среде. Произведение с называют удельным акустическим импедан­сом, для плоской волны его называют также волновым сопро­тивлением.

Волновое сопротивление — важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на ее гра­нице.

Представим себе, что звуковая волна попадает на границу раз­дела двух сред. Часть волны отражается, а часть — преломляется. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны законам отражения и преломления света. Преломленная волна может поглотиться во второй среде, а может выйти из нее.

Допустим, что плоская волна падает нормально к границе раз­дела, интенсивность ее в первой среде I₁ интенсивность прелом­ленной (прошедшей) волны во второй среде I₂. Назовем

коэффициентом проникновения звуковой волны.

Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука опреде­ляется формулой

что наибольшее значение, которое может иметь , равно 1.  = 1, если c₁₁ = c₂₂

Итак, при ра­венстве волновых сопротивлений двух сред звуковая волна (при нормальном падении) пройдет границу раздела без отражения.

Если волновое сопротивление второй среды весьма велико по сравнению с волновым сопротивлением первой среды (c₂₂ >> c₁₁), то имеем

Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потол­ков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отра­жается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще имеются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного зату­хания звука в закрытых помещениях после выключения источни­ка называют реверберацией.

Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с дру­гой стороны, чрезмерно длительная реверберация может сущест­венно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концерт­ных залов и т. п.

45. Ультразвук. Методы получения и регистрации. Действие ультразвука на вещество.

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны с частотами более 20 кГц. Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили элек­тромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации тел под действием элект­рического поля. Основной частью такого излучателя является пластина или стержень 1 из вещества с хорошо выражен­ными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, ке­рамический материал на основе титаната бария и др.). На поверх­ность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды 2. Если к электродам приложить переменное электрическое напряже­ние от генератора 3, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствую­щей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса. Приемник УЗ можно создать на осно­ве пьезоэлектрического эффекта (пря­мой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-волны) возникает деформация кристалла,которая приводит при пьезоэффекте к генерации переменно­го электрического поля; соответствую­щее электрическое напряжение может быть измерено. Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной.Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуко­вой волны. Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлении. Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца — надкостница — кость, на поверхности по­лых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерыв­ное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и от­раженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультра­звука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распрост­ранения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет от­ражаться из-за наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздуш­ный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.

Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости — кавитаций.

Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссо­циация молекул.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызы­вают в биологических объектах следующие основные эффекты:

- микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;

- разрушение биомакромолекул;

- перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран

- тепловое действие;

- разрушение клеток и микроорганизмов.

Медико-биологические приложения ультразвука можно в ос­новном разделить на два направления: методы, диагностики и исследования и методы воздействия

К первому направлению относятся локационные методы с ис­пользованием главным образом импульсного излучения. Это эх-энцефалография — определение опухолей и отека головного моз­га,ультразву­ковая кардиография — измерение размеров сердца в динамике; в офтальмологии — ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью ультразвукового эффекта До­плера изучают характер движения сердечных клапанов и измеря­ют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму направлению относится ультразвуковая физио­терапия

Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук часто­той 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см² и меньше.

Первичными механизмами ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.

При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жид­кость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарствен­ных веществ, полученные с помощью ультразвука.

В настоящее время разработан новый метод «сваривания» по­врежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез).

Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы ис­пользуется для стерилизации.