Ультразвук. Применение ультразвука в медицине

световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет  не только получать звуковые изображения (системы

звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую

энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные

характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение  показателя преломления световых волн, связанное с

изменением плотности  в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке

, наблюдаемую на частотах  УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при

этом можно рассматривать  как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация –

возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных  паром, газом

или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние  друг с

другом и т.д. порождают  в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и

микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты

оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся  в жидкости

твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости,

инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя

условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять  различные

кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль

микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в

жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит

к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу

кавитации, которое зависит  от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и

т.д.. Для воды при атмосферном  давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0

Вт/см². Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны,

распространяющиеся в  жидкости, образуют чередующиеся области  высоких и низких

давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне

гидростатическое давление понижается до такой степени, что  силы, действующие на

молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В

результате резкого изменения  гидростатического равновесия жидкость

«разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В

следующий момент, когда  в жидкости наступает период высокого давления,

образовавшиеся ранее  пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков

сопровождается образованием ударных волн с очень большим  местным мгновенным

давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

 

     Источники  и приемники ультразвука.

 

В природе УЗ встречается  как в качестве компоненты многих естественных шумов

(в шуме ветра, водопада, дождя, в звуках, сопровождающих  грозовые разряды, и т.д.), так  и среди

звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для

обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука  можно подразделить на две большие  группы. К первой

относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия

препятствий на пути постоянного  потока – струи газа или жидкости. Вторая

группа излучателей –  электроакустические преобразователи; они преобразуют уже

заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое

колебание твердого тела, которое  и излучает в окружающую среду  акустические

волны.

 

                            Механические излучатели.         

                 

В излучателях первого  типа (механических) преобразование кинетической энергии

струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате

периодического прерывания струи (сирена), при натекании ее на препятствия

различного вида (газоструйные генераторы, свистки).

УЗ сирена – два диска  с большим количеством отверстий, помещенные в камеру

(рис. 1).

    

Поступающий под большим  давлением в камеру воздух выходит  через отверстия

обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его отверстия будут  совпадать с

отверстиями неподвижного диска-статора (2) только в определенные моменты

времени. В результате возникнут  пульсации воздуха. Чем больше скорость

вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, которая  определяется

по формуле:

          ,         

где N – число отверстий, равнораспределенных по окружности ротора и статора;

w - угловая скорость ротора.

Давление в камере сирен  обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см².

Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 40¸50 кГц,

однако известны конструкции  с верхним пределом 500 кГц. КПД  генераторов не

превышает 60%. Так как источником излучаемого сиреной звука являются импульсы

газа, вытекающего из отверстий, частотный спектр сирен определяется формой этих

импульсов. Для получения  синусоидальных колебаний используют сирены с круглыми

отверстиями, расстояния между  которыми равны их диаметру. При  отверстиях

прямоугольной формы, отстоящих  друг от друга на ширину отверстия, форма

импульса треугольная. В  случае применения нескольких роторов (вращающихся с

разной скоростью) с отверстиями  расположенными неравномерно и разной формы,

можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сирен может  достигать

десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить  вату, то она

воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.

Принцип действия УЗ генератора-свистка  почти такой же, как и обычного

милицейского свистка, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с

большой скоростью разбивается  об острый край внутренней полости  генератора,

вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. При

помощи такого генератора можно создавать колебания с  частотой до 100 Кгц при

относительно небольшой  мощности. Для получения больших  мощностей применяют

газоструйные генераторы, у которых скорость истечения  газа выше. Жидкостные

генераторы применяют  для излучения УЗ в жидкость. В  жидкостных генераторах

(рис. 2) в качестве резонансной  системы служит двустороннее  острие, в котором

возбуждаются изгибные колебания.

    

 

Струя жидкости, выходя из сопла  с большой скоростью, разбивается  об острый

край пластинки, по обе  стороны которой  возникают завихрения, вызывающие

изменения давления с большой  частотой.

Для работы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточное

давление жидкости 5 кГ/см². частота колебаний такого генератора

определяется соотношением:

          ,         

где v – скорость жидкости, вытекающей из сопла;  d – расстояние между острием

и соплом.

Гидродинамические излучатели в жидкости дают относительно дешевую  УЗ-вую энергию

на частотах до 30¸40 кГц  при интенсивности в непосредственной близости от

излучателя до нескольких Вт/см².

Механические излучатели используются в низкочастотном диапазоне  УЗ и в диапазоне

звуковых волн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их

изготовление не дорого, но они не могут создавать монохроматическое  излучение

и тем более излучать сигналы  строго заданной формы. Такие излучатели

отличаются нестабильностью  частоты и амплитуды, однако при  излучении в газовых

средах они имеют относительно высокую эффективность и мощность излучения: их

кпд составляет от  нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятков

кВт.

 

                      Электроакустические преобразователи.            

        

Излучатели второго типа основываются на различных физических эффектах

электромеханического преобразования. Как правило, они линейны, то есть

воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном

УЗ-вом диапазоне применяются электродинамические излучатели и

излучающие магнитострикционные преобразователи и пьезоэлектрические

преобразователи. Наиболее широкое распространение получили излучатели

магнитострикционного и  пьезоэлектрического типов.

В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное

поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным

эффектом. Если по обмотке, наложенной на

ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием

изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые

сердечники, в отличии  от железных, в магнитном поле укорачиваются. При

пропускании переменного  тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в

одном направлении при  любом направлении магнитного поля. Поэтому частота

механических колебаний  будет вдвое больше частоты переменного  тока.

Чтобы частота колебаний  излучателя соответствовала частоте  возбуждающего

тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У

поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной

индукции, что приводит к  увеличению деформации сердечника и  повышению

мощности.

Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ-вых

магнитострикционных преобразователей (рис. 3).

                             

    

 

Эти преобразователи отличаются большими относительными деформациями,

повышенной механической прочностью, малой чувствительностью  к температурным

воздействиям. Магнитострикционные  преобразователи имеют небольшие  значения

электрического сопротивления, в результате чего для получения  большой

мощности не требуются  высокие напряжения.

Чаще всего применяют  преобразователи из никеля (высокая  стойкость против

коррозии, низкая цена). Магнитострикционные  сердечники могут быть изготовлены  и

из ферритов. У ферритов высокое удельное сопротивление, в  результате чего

потери  на вихревые токи в них ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий материал,

что вызывает опасность их перегрузки при большой мощности. Кпд

магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и  твердое тело

составляет 50¸90%., интенсивность  излучения достигает нескольких десятков

Вт/см².

В 1880 году братья Жак и  Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект –

если деформировать пластинку  кварца, то на ее гранях появляются противоположные

по знаку электрические  заряды. Наблюдается и обратное явление  – если к

электродам кварцевой  пластинки подвести электрический  заряд, то ее размеры

уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого  заряда. При