Ультразвуком принято называть упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. Такое определение сложилось исторически, но эта граница - 20 кГц - является условной, так как есть люди, воспринимающие частоты в 25 кГц, а есть те, которые не слышат звуки с частотами в 10 кГц. Поэтому официально принятая граница ультразвука не 20 кГц, а 11,12 кГц. Это нижняя граница ультразвука, а верхняя его граница обуславливается физической природой упругих волн, которые могут распространятся в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу ультразвуковых волн определяют из приблизительного равенства длины звуковой волны и средней длины пробега молекул газа

( ? 10?⁶), что дает частоту порядка 1 ГГц ( 10⁹ Гц). Расстояние между атомами и молекулами в кристаллической решетке твердого тела примерно равно 10?¹⁰. Считая, что и длина волны ультразвука такого же порядка величины, получаем 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. Это законы отражения, преломления, рассеивания и другие. Скорости распространения ультразвуковых волн примерно такие же как и скорости слышимого звука, а поэтому длины ультразвуковых волн значительно меньше. Так, при распространении в воде ( С = 1500м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина волны л = 1500/10⁶ = 1,5 • 10^?3 = 1,5мм. Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к ультразвуку можно применять законы геометрической оптики и изготавливать ультразвуковые фокусирующие системы: выпуклые и вогнутые зеркала и линзы, которые используют для получения звуковых изображений в системах звукозаписи и акустической голографии. Помимо этого, фокусировка ультразвука позволяет концентрировать звуковую энергию, получая при этом большие интенсивности.

Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Однако, как и для обычного звука, затухание ультразвука определяется не только его поглощением, но т 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 на 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 вибратором 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:

? иметь акустическое сопротивление близкое к сопротивлениям Кижи и излучателя

? обладать малым коэффициентом поглощения ультразвука

? иметь значительную вязкость

? хорошо смачивать кожу

? быть нетоксичными для организма

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 и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Первым ультразвуковым генератором был свисток Гальтона - короткая, закрытая с одного конца трубка с острыми краями, на которые направляется воздушная струя из кольцеобразного сопла. Срывы струи на острых концах трубки вызывают колебания воздуха, частота которых определяется диной трубки. Свистки Гальтона позволяют получить ультразвук с частотой до 50 кГц. Интересно, что подобными свистками пользовались браконьеры, подзывая охотничьих собак сигналами, не слышными для человека, и это было еще в прошлом веке.

Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Газоструйные излучатели и сирены служат почти единственными источниками мощных акустических колебаний в газовых средах, в которых из-за малого акустического сопротивления излучатели с твердой колеблющейся поверхностью не могут передать ультразвук большой интенсивности. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых частот, что ограничивает область их применения в биологии.

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

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

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить переменное напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель. Следовательно один и тот же кристалл может служить и приемником, и излучателем ультразвука поочередно. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - корпус; 2 - провода, идущие к генератору электрических колебаний или к регистрирующему прибору; 3 - металлический электрод; 4 - пьезокристал; 5 - покровная пластина; 6 - контактная смазка; 7 - облучаемый орган.

В связи с тем, что применение ультразвука в различных областях науки, техники, медицины и ветеринарии с каждым годом возрастает, требуется все большее количество ультразвуковых преобразователей, однако запасы природного кварца не могут удовлетворить возрастающие в нем потребности. Наиболее подходящим заменителем кварца оказался титаном бария, представляющий собой аморфную смесь двух минеральных веществ - углекислого бария и двуокиси титана. Для придания ей нужных свойств аморфную массу нагревают до высокой температуры, при которой она размягчается, и помещают ее в электрическое поле. При этом происходит поляризация дипольных молекул. После охлаждения вещества в электрическом поле молекулы фиксируются в ориентировочным положении и вещество приобретает определенный электрический дипольный момент. У титана бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз сильнее, чем у кварца, а стоимость его невысока.

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 акустическую волну в окружающей среде.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей применяют пермендюр, никель, железоалюминиевые сплавы - альсиферы. У них большие величины относительных деформаций, большая механическая плотность и меньшая чувствительность к температурным воздействиям.

В современной ультразвуковой аппаратуре используют обо вида преобразователей. Пьезоэлектрические применяют для получения ультразвука высоких частот (выше 100 кГц), магнитострикционные - для получения ультразвука меньших частот. Для медицинских и ветеринарных целей обычно используют генераторы небольшой мощности (10-20 Вт).

Взаимодействие ультразвука с веществом

Рассмотрим, с какими параметрами колебательного движения приходиться иметь дело при распространении ультразвука в веществе. Пусть

излучатель создает волну с интенсивностью I = 10⁵ Вт/м² и частотой 10⁵ Гц.

Так как I = pa² /2рc, а pa = Аwрc, то мы имеем I = 0,5рcА² w² = 2сА²рп²v² . Отсюда мы получаем:

А =

Подставляя в формулу значения входящих в нее величин, получим ,что амплитуда смещения частиц воды при данных условиях А = 0,06 мкм. Амплитудное значение ускорения частиц воды а_м = Аw² = 4Ап² v² = 2•4•10⁵ м/с² , что в 24 000 раз превышает ускорение силы тяжести. Амплитудное значение акустического давления р_а = рсАw= 5,6•10⁵ Па?5,6 атм. При фокусировании ультразвука получаются еще большие давления.

При распространении ультразвуковой волны в жидкости во время полупериодов разрежения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных паром этой жидкости. Это явление носит название кавитации. Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становиться больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации. Для чистой воды теоретическое значение порога кавитации р_к = 1,5•10³ Па = 1500 атм. Реальные жидкости менее прочны в связи с тем, что в них всегда находятся зародыши кавитации - микроскопические газовые пузырьки, твердые частички с трещинами, заполненными газом, и т.п. Часто на поверхности пузырьков возникают электрические заряды. Захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается сильным нагревом их содержимого, а также выделением газов, содержащих атомарный и ионизированный компоненты. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям. Это проявляется в кавитационной эрозии, т.е. в разрушении поверхности твердых тел. Даже такие прочные вещества, как сталь и кварц, разрушаются под действием микроударных гидродинамических волн, возникающих при захлопывании пузырьков, не говоря уже о находящихся в жидкости биологических объектах, например микроорганизмах. Этим пользуются для очистки поверхности металлов от окалины, жировых пленок, а также для диспергирования твердых тел и получение эмульсий несмешивающихся жидкостей.

При интенсивности ультразвука менее 0,3•10⁴ Вт/м² кавитация в тканях не происходит, и ультразвук вызывает ряд других эффектов. Так, в жидкости возникают акустические потоки, или «звуковой ветер», скорость которого достигает десятков сантиметров в секунду. Акустические потоки перемешивают облучаемые жидкости, изменяют физические свойства суспензий. Если в жидкости находятся частицы, обладающие противоположными электрическими зарядами и разными массами, то в ультразвуковой волне эти частицы будут отклоняться от положения равновесия на разные расстояния и в поле волны возникает переменная разность потенциалов (эффект Дебая). Такое явление происходит, например, в растворе поваренной соли ,содержащей ионы Н⁺ и в 35 раз более тяжелые ионы Cl^- . При больших различиях в массах потенциал Дебая может достигать десятков и сотен мВ.

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии в тепловую. В ультразвуковом поле могут протекать как окислительные, так и восстановительные реакции, причем даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы.

Значительное действие оказывает ультразвук на некоторые биохимические соединения: от белковых молекул отрываются молекулы аминокислот, происходит денатурация протеинов и т.д.

Ультразвук вызывает свечение воды и некоторых других жидкостей. На живые организмы ультразвук действует возмущающе, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Реакция организма на ультразвук положена в основу методов ультразвукового лечения и ультразвуковой диагностики. Ультразвук применяют в терапии, хирургии, акушерстве и гинекологии, кардиологии, гемодинамике.

Применение ультразвука в ветеринарии

Диагностический метод основан на отражении ультразвука на границах между тканями с различными акустическими сопротивлениями. Этот метод сходен с рентгенографией, однако он более чувствителен. Изображения двух тканей на рентгеновском снимке отличаются друг от друга только в том случае, если разница в их плотностях составляет не менее 10%. Ультразвук позволяет дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности всего на 0,1%. Кроме того ультразвук низких интенсивностей практически безвреден, а ультразвуковая аппаратура компактнее и дешевле рентгеновской. УЗГ создает электрические импульсы ультразвуковой частоты, поступающие на пьезокристалл, от которого в тканях распространяется ультразвуковая волна. Если волна встречает на своем пути участок, акустическое сопротивление которого иное, чем у окружающей среды, то она отражается и попадает на приемник ультразвука, в котором возбуждает электрические колебания. Эти колебания затем направляются в усилитель и на регистрирующее устройство, например электронный осциллограф, на экране которого возникает сигнал, позволяющий судить о размерах, форме и глубине залегания отражающего объекта. Обычно в диагностике применяют ультразвук с интенсивностью не превышающей 0,1•10⁴ Вт/м² . исследование ультразвуком внутренних органов в медицине и ветеринарии получило широкое распространение.

Диагностика на основе эффекта Доплера

Эффект Доплера - явление, когда измеряемая наблюдателем частота н не совпадает с частотой н₀ колебаний, испускаемых источником волн.

Этот вид диагностики позволяет не только изучать расположение тех или иных тел, органов или участков тканей, но и физиологические процессы в их динамике.

Метод Доплера в кардиологии

Ультразвуковая доплеровская кардиология является наиболее адекватным методом прижизненной оценки сердечной деятельности. Средняя скорость движения стенки желудочка за время изгнания крови может быть вычислена по рентгенограмме. Однако, даже не говоря о нежелательности работы с рентгеновским излучением в области сердца, рентгенограмма дает искажения, вызванные несинхронными записями. Кроме того, следует учитывать, что усреднение скорости такого неравномерного движения, каким является движение стенок сердца, дает малую информацию о его работе. Для диагностики целей важно знать максимальные и мгновенные значения скоростей стенок сердца с разверткой по времени. Именно эти параметры удается получать доплеровским методом, который позволяет регистрировать доплеровские частоты, вызванные отражения ультразвука от движущихся участков сердца. Существующие установки могут измерять расстояния до участков сердца, их размеры, скорости и ускорения, фиксировать начало и длительность различных фаз сердечного цикла. биофизический ультразвук доплер ветеринария

Трудности, связанные с этим методом, обусловлены тем, что приходиться одновременно регистрировать отражения от передней и задней стенок желудочков, колеблющихся в противоположных направлениях. Кроме того, различная дальность относительно приемника колебаний передней и задней стенок приводит к ошибкам в регистрации моментов начала и конца их движений. Тем не менее эти трудности преодолимы. Доплеркинетограммы позволяют осуществлять раннюю диагностику предынфарктного состояния. Опыт, накопленный при использовании доплеровских методов в медицине, делает весьма перспективным их применение в диагностике ряда заболеваний сельскохозяйственных животных.

Метод Доплера в акушерстве и гинекологии

Этот метод позволяет прослушивать сердце плода, устанавливать многоплодие, движение жидкости в пуповине, делать заключение о наличии эмболии, контролировать работу мочевого пузыря плода и многое другое. Существующая аппаратура позволяет определять сердечную деятельность плода начиная с 9-10 недели беременности, выясняя, таким образом, наличие возможных патологий. Метод позволяет четко очерчивать положение плаценты, вести контроль динамики развития плода во время беременности и его состояния в процессе родового акта.

Применение метода Доплера для диагностики беременности крупных животных, таких как корова и кобыла, сопряжено определенными трудностями. Расстояние от поверхности тела до матки у них довольно велико, т ультразвуковая волна на этом пути сильно затухает. Но эта трудность преодолена: затухание уменьшают, вводя ультразвуковой зонд в прямую кишку ,чтобы он оказался над рогами матки. При обследовании мелкого скота достаточно приложить эхо-зонд к брюшной стенке.

Заключение

Ультразвук находит широкое применение и в других областях науки.

С помощью ультразвука можно выявлять внутренние дефекты в изделиях из металла и других материалов, которые не пропускают рентгеновские лучи. Этот метод получил название ультразвуковой дефектоскопии.

Другое важное применение ультразвука - ультразвуковая гидролокация. Таким образом, можно обнаружить подводные лодки, айсберги, рифы, косяки рыб и т.п. и определять их местоположение. Этим способом по сути пользуются дельфины, которые могут слышать ультразвуки частотой до 30 кГц, и могут обнаруживать на расстоянии 20-30 м опущенную в воду дробинку. С помощью гидролокации можно также измерять глубину водоемов и рельеф их дна. Прибор, предназначенный для этой цели, называется ультразвуковым эхолотом.

В природе ультразвуковой локацией пользуются летучие мыши, которые могут воспринимать ультразвуковые волны частотой до 100 кГц. Они плохо видят, однако их полет поражает необыкновенной ловкостью и умение их уворачиваться и лавировать между препятствиями. Это связано с тем, что в полете летучая мышь периодически испускает ультразвуковые сигналы; прослушивая отражения этих сигналов от препятствий, они и определяют местоположение препятствий.

Ультразвук нашел широчайшее применение очень во многих областях науки. Дальнейшие исследования и открытия позволят человеку еще ближе подойти к неизвестному и сделать его полезным.

Литература

1. А.С. Белановский «Основы биофизики в ветеринарии», Москва, Агропромиздат, 1989 г.

2. Р.И. Грабовский «Курс Физики», Москва, Высшая школа, 1980 г.

Размещено на Allbest.ru