Поглощение ультразвука в веществе

Поскольку, по физической сущности, УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую (упругую) волну, то он подчиняется тем же законам. Следовательно, при ее распространении образуются чередующие участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука одинаковы. Однако высокая интенсивность и малая длина волны УЗ порождает ряд специфических особенностей:

При распространении УЗ в веществе происходит необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в основном теплоту. Это явление называется поглощением звука. Уменьшение амплитуды колебания частиц и интенсивности УЗ вследствие поглощения происходит по экспоненциальный характер: ; ,

где А, А_о – амплитуды колебания частиц среды у поверхности и на глубине h, I,I_о – соответствующие интенсивности УЗ- волны; α- коэффициент поглощения зависящий от частоты УЗ- волны, температуры и свойств среды.

Коэффициент поглощения α - величина, обратная тому расстоянию, на котором амплитуда звуковой волны спадает в e раз. Чем больше α, тем сильнее среда поглощает УЗ.

Коэффициент поглощения α растет при увеличении частоты УЗ, следовательно, затухание УЗ в среде значительно выше, чем затухание слышимого звука.

Исходя из этого, УНЧ применяют в газах, воздухе, поскольку УСЧ и УЗВЧ в 1000 раз поглощается больше, а УСЧ и УЗВЧ применяют исключительно в жидкостях и твердых телах,

Другой характеристикой УЗ – волн является глубина поглощения (Н).

Глубина поглощения (Н) - глубина, на которой интенсивность УЗ - волны уменьшается вдвое.

Взаимосвязь между этими характеристиками: Н = 0,347/α.

Выделение теплоты и химические реакции.

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом энергии звуковой волны во внутреннюю энергию, что ведет к ее нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит на границе раздела сред, когда коэффициент отражения близок к единице (100%) т.к. вблизи границы, интенсивность волны увеличивается в результате отражения, следовательно, возрастает количество поглощенной энергии. Можно заметит на примере: если положим на излучатель влажную руку, то через некоторое время на другой стороне руки возникнет ощущение, похожее на боль от ожога вызванное УЗ отраженными от границы «кожа- воздух».

Вывод ткани со сложной структурой (легкие – много границ) более чувствительны к нагреванию УЗ, чем однородные ткани (печень – почти отсутствуют границы).

Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует активности жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. В то же время, длительное действие может вызвать перегрев.

В некоторых случаях, для локального воздействия на отдельные части организма использует сфокусированный УЗ. Такое воздействие позволяет добиться контролируемой гипертермии, т.е. нагрева до 41-44 градусов без перегрева соседних тканей.

Химическое действие УЗ проявляется, в частности, расщеплении молекулы воды на радикалы Н⁺ и ОН^- с последующим образованием перекиси водорода Н₂О₂ .

Акустические течения и кавитации.

Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, может привести к образованию разрывов сплошности жидкости – акустической кавитаций.

Акустическая кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях.

Кавитационные пузырьки пульсируют с частотой УЗ и схлопываются в положительной фазе давления.

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

При схлопывании пузырьков газа:

- возникают локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны, что может приводить к разнообразным эффектам, в том числе и разрушающим, даже без влияния теплового действия УЗ.

- приводит сильному разогреву их содержимого (до 10000^о С), который сопровождается ионизацией и диссоциацией молекул.

Явление кавитации сопровождается эрозией рабочих поверхностей излучателей, повреждением клеток и т.п. Однако это явление приводит и к ряду полезных эффектов.

Например, в области кавитации происходит усиленное перемешивание вещества, что используется для приготовления эмульсий.