УЗ в природе. Диапазоны УЗ частот (УНЧ, УСЧ, УЗВЧ)

Свойства УЗ, обуславливающие его применение в диагностических и терапевтических целях (малая длина волны, направленность, преломление и отражение, поглощение, глубина полупоглощения)

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым и химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

а)Малая длина волны. Направленность. Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ=υ/ν , найдем: для звука с частотой 1 кГц длина волны λ_зв=1500/1000=1,5 м; для ультразвука с частотой 1 МГц длина волны λ_уз=1500/1 000 000=1.5 мм.

Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны с λ=1,5 м, но станет преградой для УЗ волны с λ=1,5 мм. При этом возникает УЗ тень, поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и преломления. То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.

б) Преломление и отражение. Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Законы, которым подчиняются эти явления полностью аналогичны законам отражения и преломления света. Поэтому во многих случаях распространение УЗ волн изображают с помощью лучей.

Для количественной характеристики процесса вводят понятие коэффициента отражения R=I_отр /I _о , где I_отр - интенсивность отраженной ультразвуковой волны; I _о - интенсивность падающей. Это безразмерная величина, меняющаяся в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).

Чем сильнее различаются волновые сопротивления (ρυ) сред, тем больше доля отраженной энергии и меньше доля энергии, переходящей через границу раздела.

Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха (R=1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.

Смазка должна удовлетворять соответствующим требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению кожи, обладать малым коэффициентом поглощения УЗ, иметь значительную вязкость, хорошо смачивать кожу, быть нетоксичной (вазелиновое масло, глицерин и др.).

в)Поглощение, глубина полупоглощения. Следующим важным свойством ультразвука является его поглощение в средах: энергия механических колебаний частиц среды превращается в энергию их теплового движения. Поглощаемая при этом средой энергия механической волны обуславливает нагревание среды. Этот эффект описывается формулой:

I = I_о^. е^-кl (3)

где I - интенсивность ультразвуковой волны, прошедшей расстояние l в среде; I_o- начальная интенсивность; к – коэффициент поглощения ультразвука в среде; е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71).

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения .

Глубина полупоглощения – это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.

Глубина полупоглощения для различных тканей имеет различное значение. Поэтому в медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей: малая – 1,5 Вт/м², средняя – (1,5-3) Вт/м² и большая –(3-10)Вт/м².

Поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани.

УЗ в природе. Диапазоны УЗ частот (УНЧ, УСЧ, УЗВЧ)

Неслышимые звуки... Непривычное сочетание слов. Между тем такие звуки действительно существуют в природе, и в них нет ничего необыкновенного. С ними, сами того не замечая, мы встречаемся на каждом шагу. Ультразвуки наряду со слышимыми звуками издают тикающие часы, летящий самолет, телефонный звонок.

То, что у дельфина необычайно развитый слух, известно уже десятки лет. Объемы тех отделов мозга, которые заведуют слуховыми функциями, у него в десятки(!) раз больше, чем у человека (при том, что общий объем мозга примерно одинаков). Дельфин способен воспринимать частоты звуковых колебаний, в 10 раз более высокие (до 150 кГц), чем человек (до 15-18 кГц), и слышит звуки, мощность которых в 10-30 раз ниже, чем у звуков, доступных слуху человека, каким бы хорошим ни было зрение дельфина, его возможности ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную локацию: слушает эхо, возникающее при отражении издаваемых им звуков от окружающих предметов. Эхо дает ему точные сведения не только о положении предметов, но и об их величине, форме, материале. Иными словами, слух позволяет дельфину воспринимать окружающий мир не хуже или даже лучше, чем зрение.

Природа наградила летучих мышей способностью издавать звуки с частотой колебаний выше 20000 герц, то есть ультразвуки, недоступные уху человека. Локатор летучих мышей высокоточен, надежен и ультраминиатюрен. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз эффективнее всех локационных систем, созданных человеком. С помощью такого ультразвукового "видения" летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволоку диаметром 0,12-0,05 мм, улавливают эхо, которое в 2000 раз слабее посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделять полезный звук, то есть только тот диапазон, который им нужен.

Летучие мыши издают звуки высотой в 50 000-60 000 Гц и воспринимают их. Этим объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при выключенном зрении (принцип радара). В пределах своего диапазона нормальное человеческое ухо воспринимает все тоны беспрерывно, без пропусков.

Изучением ультразвука и его применением занимается большое количество различных институтов и лабораторий как в нашей стране так и за рубежом. Такие лаборатории имеются на физических факультетах МГУ, ЛГУ и других университетах страны. В университетских лабораториях Англии, Японии, Франции, Германии, Италии и других.

Ультразвук – упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20 кГц и до 1ГГц. Область частот ультразвука от 1 до 1000 ГГц принято называть гиперзвуком. Ультразвуковые частоты делятся на три диапазона:

- УНЧ ( ультразвук низких частот) – 20-100 кГц;

- УСЧ (ультразвук средних частот) – 0,1-10 МГц;

- УЗВЧ (ультразвук высоких частот) – 10-1000 МГц;

Каждый диапазон имеет свои особенности медицинского применения.

Ультразвук сравнительно малой интенсивности (до ~0,1 вт/см2) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.) (см. Дефектоскопия). Быстро развивается направление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу (конструкции) твёрдого тела он «потрескивает» (подобно тому, как при изгибе «потрескивает» оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает движение дислокаций, которые при определённых условиях (до конца ещё пока не выясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность дислокаций и субмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащим частоты Ультразвук При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. При помощи Ультразвук осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощи Ультразвука видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета (рис. 5). Развитие голографии привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии. Ультразвук большой интенсивности (главным образом диапазон УНЧ) оказывает воздействие на протекание тех или иных технологических процессов (см. Ультразвуковая обработка) посредством нелинейных эффектов — кавитации, акустических потоков и др.