Взаимодействие УЗ с веществом: акустические течения и кавитация, выделение теплоты и химические реакции, отражение звука, звуковидение).

а) Акустические течения и кавитация. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом специфических эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, возникают акустические потоки (звуковой ветер), скорость которых достигает 10 м/с. На частотах диапазона УСЧ (0,1-10 )МГц в ультразвуковом поле с интенсивностью в несколько Вт/см² может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Эта особенность распространения УЗ используется в ультразвуковых ингаляторах.

К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация-рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой УЗ и захлопываются в положительной фазе давления. При схлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысячи атмосфер, образуются сферические ударные волны. Такое интенсивное механическое воздействие на частицы, может приводить к разнообразным эффектам, в том числе и разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука. Механические эффекты особенно значительны при действии фокусированного ультразвука.

Еще одним следствием схлопывания кавитационных пузырьков является сильный разогрев их содержимого (до температуры порядка 10 000⁰ С), сопровождающийся 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. Так, например, в области кавитации происходит усиленное перемешивание вещества, что используется для приготовления эмульсий.

б) Выделение теплоты и химические реакции. Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границе раздела сред, когда коэффициент отражения близок к единице (100%). Это связано с тем, что в результате отражения интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. В этом можно убедиться экспериментально. Надо приложить к влажной руке излучатель УЗ. Вскоре на противоположной стороне ладони возникает ощущение (похожее на боль от ожога), вызванное УЗ, отраженным от границы «кожа-воздух».

Ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к нагреванию ультразвуком, чем однородные ткани (печень). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие может привести к перегреву.

В некоторых случаях используют сфокусированный ультразвук для локального воздействия на отдельные структуры организма. Такое воздействие позволяет добиться контролируемой гипертермии, т.е. нагрева до 41-44⁰ С без перегрева соседних тканей.

Повышение температуры и перепады давления, которыми сопровождается прохождение ультразвука, могут приводить к образованию ионов и радикалов, способных вступать во взаимодействие с молекулами. При этом могут протекать такие химические реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. Химическое действие УЗ проявляется, в частности, расщепление молекулы воды на радикалы Н⁺ и ОН^- с последующим образованием перекиси водорода Н₂О₂.

в) Отражение звука. Звуковидение. На отражении УЗ волн от неоднородностей основано звуковидение, используемое в медицинских ультразвуковых исследованиях. В этом случае ультразвук, отраженный от неоднородностей, преобразуются в электрические колебания, а последние – в световые, что позволяет видеть на экране те или иные предметы в непрозрачной для света среде.

На частотах УЗВЧ-диапазона создан ультразвуковой микроскоп – прибор, аналогичный обыкновенному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит в том, что при биологических исследованиях не требуется предварительно окрашивания объекта. При увеличении частоты УЗ волны увеличивается разрешающая способность (можно обнаруживать более мелкие неоднородности), но уменьшается их проникающая способность, т.е. уменьшается глубина, на которой можно исследовать интересующие структуры. Поэтому частоту УЗ выбирают так, чтобы сочетать достаточное разрешение с необходимой глубиной исследования. Так, для УЗ исследования щитовидной железы, расположенной непосредственно под кожей, используют волны частоты 7,5 МГц, а для исследования органов брюшной полости используют частоту 3,5 - 5,5 МГц. Кроме того, учитывают и толщину жирового слоя: для худых детей используется частота 5,5 МГц, а для полных детей и взрослых – частота 3,5 МГц.