73 Ультразвуковое излучение

Механические волны, у которой частота колебаний превышает20000 Гц, называется ультразвуковым излучением. За последние годы это излучение нашло широкое распространение в медицине для диагностики патологических состояний и для лечения заболеваний. Использование ультразвуковых волн основано на его физических свойствах и механизмах взаимодействия с веществом. Рассмотрим способы получения ультразвуковых излучений, их физические свойства, механизмы взаимодействия с живым организмом и биофизические принципы, которые определяют его практическое использование в медицине.

Источники ультразвуковых колебаний

Получение ультразвука основано на двух физических явлениях пьезоэффекте и магнитострикции. Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект зак-

лючается в том, что при механических воздействиях на некоторые кристаллические тела возникают электрические поля. Так например, если к кварцевой пластине приложена механическая сила F (см. рис. 59), на ее поверхностях возникают электрические заряды и, следовательно, электрическое поле. В данном случае кристалл служит преобразователем механического воздействия в

Рис. 59 электрический сигнал. Если к такому кристаллу подвести переменное электрическое напряжение U=U_m sin t, будет наблюдаться обратный пьезоэлектрический эффект - изменение толщины пластины h во времени по закону изменения приложенного напряжения h = h_о + h sin t. При периодическом изменении положения поверхности кристалла возникают колебания молекул среды, которые распространяются в среде в виде механической волны. Если частота переменного напряжения будет достаточно велика (f > 20000 Гц), в среде возникают ультразвуковые

Рис. 60 волны (рис. 60).

Как известно, интенсивность механических волн определяется частотой, амплитудой колебания молекул и механическим импедансом среды I =(Z ^Х²)/2. Поэтому получение мощных ультразвуковых излучений требует достаточно больших смещений поверхности пьезокристалла и молекул среды. С помощью обратного пьезоэффекта не удается получить высокоинтенсивное излучение, поскольку пьезокристаллы обладают высокой хрупкостью и малой прочностью. С увеличением амплитуды приложенного напряжения изменение толщины кристалла h достигает такой выраженности, что он разрушается. Более мощный ультразвук получают в результате использования магнитострикции. Этот феномен основан на способности ферромагнитных тел изменять свои геометрические размеры в магнитных полях. Если стержень из такого ферромагнитного материала поместить в соленоид (см. рис. 57) и приложить к его об

мотке переменное электрическое поле, в соленоиде будет протекают переменный электрический ток. Этот ток создает переменное магнитное поле с индукцей В, которое вызывает соответствующее изменение длины стержня Колеблющиеся поверхности торцов стержня приводят в колебательное движение молекулы среды и этот процесс распространяется в пространстве в виде ультразвуковой волны.

С помощью явления магнитострикции можно получать значительно более интенсивное ультразвуковое излучение по сравнению с пьезоэффектом, поскольку ферромагнитный стержень обладает существенно большей прочностью.

Рис. 60 Как уже отмечалось, ультразвук имеет довольно высокую частоту и, следовательно, малую длину волны. Так например, для наиболее распространенных в физиотерапии ультразвуковых генераторах УЗТ-101 частота равна 880 кГц, т.е. 880000 Гц. Поэтому длина ультразвуковой волны при распространении в воздухе составляет:

 = С : f = 330 : 880000 = 0,000375 м = 0,375 мм.

Здесь С - скорость распространения механических волн в воздухе, f - частота ультразвука. Такая малая длина волны определяет особенности ее распространения в среде. Из физики известно , что явление дифракции зависит от длины волны: чем больше длина, тем сильнее дифрагируют волны. Следовательно ультразвук должен слабо дифрагировать при распространении в однородных средах и его можно собирать в виде достаточно узких направленных ультразвуковых пучков.

Концентрация ультразвука осуществляется в результате использования специальных устройств - ультразвуковых концентраторов, принип работы которых основан на полном внутреннем отражении. На рисунке 61 изображена схема, поясняющая

Рис. 61 принцип работы такого концентратора. Ультразвуковое излучение, генерируемое с помощью магнитострикции, поступает в концентратор, изготовленный из материала с высокой прочностью и плотностью (наиболее часто используются металлы). При распространении излучения оно достигает границы раздела и полностью отражается, поскольку механический импеданс материала концентратора значительно больше импеданса среды. Интенсивность ультразвука, поступающего через поверхность S₁ в единицу времени можно выразить в виде: I₁ = E/(S₁ t), где t длительность излучения, а Е = I₁ S₁ t - энергия, которую генерирует излучатель. Если пренебречь потерями энергии в концентраторе, то и через поверхность S₂ в единицу времени в среду поступает такая же энергия: Е = I₂ S₂ t = I₁ S₁ t

Откуда следует вывод: I₂ = I₁ S₁ /S₂. Поскольку S₁ >> S₂, в концентраторе происходит не только формирование узкого пучка, но и увеличение интенсивности излучения.