Двадцать первый век – век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.
Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.
- Звук— упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания.
Человек воспринимает волны с частотами от 16 до 20 000 Гц. Упругие волны, частота которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны, частота которых лежит в интервале от 2 Ч 104 до 1 Ч 109 Гц – ультразвуковыми
Само слово «звук» отражает два различных, но взаимосвязанных понятия: 1)звук как физическое явление; 2)звук – то восприятие, которое испытывает слуховой аппарат (человеческое ухо) и ощущения, возникающие у него при этом. Соответственно характеристики звука делятся на объективные, которые могут быть измерены физической аппаратурой, и субъективные, определяемые восприятием данного звука человеком.
К объективным (физическим ) характеристикам звука относятся характеристики, которые описывают любой волновой процесс: частота, интенсивность и спектральный состав. В таблицу 3 включены сравнительные данные объективных и субъективных характеристик.
Таблица 3.
| Субъективные Характеристики | Объективные характеристики |
| Высота звука | Высота звука определяется частотой волны |
| Тембр (окраска звука) | Тембр звука определяется его спектром |
| Громкость (сила звука) | Сила звука определяется нтенсивностью волны (или квадратом ее амплитуды) |
Остановимся на некоторых определениях.
Частота звука измеряется числом колебаний частиц среды, участвующих в волновом процессе, в 1 секунду.
Интенсивᘀность волны измеряется энергией, переносимой волной в единицу времени через единичную площадь (расположенную перпендикулярно направлению распространению волны).
Спектральный состав (спектр) звука указывает из каких колебаний состоит данный звук и как распределены амплитуды между отдельными его составляющими.
Различают сплошные и линейчатые спектры. Для субъективной оценки громкости используются величины, называемые уровнем силы звука и уровнем громкости. Все акустические величины и их размерности в СИ приведены в приложении.
- Физические характеристики ультразвука.
Ультразвуковые волны – это не слышимые человеческим ухом механические колебания частиц среды с частотой 16000 – 20000Гц, по своим свойствам они подобны как звуковым, так и электромагнитным световым волнам.
Пластинки кварца или упругого вещества, врезанные определенным образом к осям кристалла характеризуются тем, что на противоположных гранях пластинки, при сжатии образуются разноименные заряды. При растяжении так же появляются электрозаряды, но знаки их противоположны, тем, что были при сжатии. Так сжимая и растягивая пластинку мы можем вызвать появление перемен. Если эту пластинку соединить с источником переменного тока, то одновременно с изменением полярности будет изменяться толщина пластинки. Это явление носит название – обратный пьезоэлектрический эффект.
Характеристики ультразвуковых колебаний:
- Длина волны,
- Частота,
- Амплитуда.
При прохождении в среду – часть ультразвука может преломляться и отражаться.
Ультразвук практически не переходит в воздух, а полностью поглощается воздухом. Следовательно, между излучателем и тканью не должно быть ни малейшей прослойки воздуха. Для этого используют контактное вещество-вазелин, глицерин, мази, масла, вода.
От пограничных отделов (кварц – вода, кварц – масло) отражается до 60% ультразвуковой энергии. Под общей мощностью понимают всю энергию, излучаемую вибраторами, а под интенсивностью – энергия, проходящая через 1см площади вибратора за 1 сек.
Виды режимов генерализации ультразвука:
- Непрерывный,
- Импульсный.
Табл. «Режимы работы ультразвука»
| Режим работы ультразвука | Показания к применению |
| Непрерывный | Мягкие ткани, суставы. |
| Импульсный | Педиатрия, гинекология, болевой синдром, ЦНС. |
Импульсный режим как более щадящий рекомендуется в детской практике, при выраженности в картине заболевания неврогенного компонента, болевого синдрома, при воздействии на нервную ткань, в гинекологии.
Поглощение ультразвука зависит от частоты колебаний, свойств среды: с повышением упругих свойств среды поглощение ультразвука усиливается. Тканями человека ультразвуковые волны поглощаются неравномерно – слабо в подкожно-жировой клетчатке, больше в мышцах, нервах, особенно – в костях.
- Биологическое воздействие ультразвука.
Попадая в живой организм, ультразвук оказывает на него биологическое воздействие, которое не ограничивается влиянием только на облученные органы или ткани. Несмотря на то, что физическое и химическое воздействие ультразвука само” по себе не объясняет механизма его комплексного влияния, эти воздействия следует учитывать.
Мы уже рассматривали механическое воздействие и установили, что при облучении ультразвуком обычной интенсивности хоти и производится микромассирующее воздействие на клетки, но сто эффект незначителен. Разумеется, с повышением интенсивности ультразвука механическое воздействие может привести даже к повреждению ткани. Это явление и применяют в ультразвуковой нейрохирургии, где с помощью фокусированного излучения интенсивностью примерно 1000 Вт/см2 разрушают больные нервные ткани, опухоли.
Более важным, чем механическое, является тепловое воздействие. Поскольку поглощение ультразвука в тканях человека характеризуется коэффициентом приблизительно 0,33 (т. е. 33% на I см), то одна треть энергии ультразвука, проходящая через сантиметровый слой, преобразуется в тепло, а две трети проникает дальше, чтобы вызвать в более глубоких слоях механический и тепловой эффект. Ясно, что в тканях, находящихся на различной глубине, повышение температуры под влиянием излучения различно и тем меньше, чем глубже. А поскольку коэффициент поглощения тканей разный, поэтому и степень нагревания тоже различна, и бывает, что в ткани, находящейся глубже и обладающей большей поглощающей способностью, в тепло превращается больше ультрал1укоиой энергии, чем в слоях над ней, несмотря на то, что интенсивность ультразвука в глубине уже существенно меньше.
Как показывают опыты, при ультразвуковом облучении имеет место и химическое воздействие. И хотя эксперименты дают убедительный ответ еще не на все вопросы, есть полная уверенность в том, что облучение ультразвуком ускоряет процессы диффузии в клетках, способствует деполимеризации крупномолекулярных белков, ускоряет процессы биохимического окисления и т. д.
- 4. Ультразвуковые генераторы
Ультразвуковой генератор представляет собой устройство, преобразующее механическую или электромагнитную энергию в энергию акустических колебаний ультразвуковой частоты. Современные ультразвуковые генераторы работают от бытовой или промышленной электросети, а значит, являются электротехническими приборами.
Как правило, электрическая схема ультразвукового генератора составлена на основе полупроводниковых элементов в виде цифровых микросхем и транзисторов.
Главные элементы схемы любого ультразвукового генератора-это задающий генератор импульсов, определяющий частоту генерируемого ультразвука, и силовые транзисторы, которые усиливают импульсы задающего генератора до требуемой мощности, тем самым, определяя мощность ультразвука. Силовые транзисторы работают в режиме переключения, при котором транзисторы находятся либо в насыщенном состоянии, либо закрыты. При этом в цепи коллектора каждого транзистора рассеивается минимальная мощность, что повышает КПД ультразвукового генератора до 90 %. Однако транзисторные схемы имеют и недостатки. Во-первых, быстродействие транзистора имеет конечное значение, что особенно проявляется на высоких ультразвуковых частотах. Транзисторы не успевают переключаться, и возникает сквозной ток, что уменьшает выходную мощность генератора. Во-вторых, в режиме переключения на выходе генератора получаются прямоугольные импульсы, имеющие высшие гармоники основной частоты, которые ухудшают работу транзисторов и ультразвуковых преобразователей.
В зависимости от требуемой мощности генератора выходной каскад на силовых транзисторах может быть выполнен по двухтактной схеме (мощность генератора до 100 Вт), по схеме полумоста (мощность генератора до 300 Вт) или по мостовой схеме (мощность генератора > 300 Вт).
5.
Действие ультразвука на биологические объекты. Применение ультразвука для диагностики и для лечения. Ультразвуковая хирургия. Преимущества ультразвуковых методов.
Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты.
– микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;
– Разрушение биомакромолекул;
– Перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран;
– тепловое действие;
– разрушение клеток и микроорганизмов.
Медико-биологические приложения ультразвука можно в основном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.
Метод диагностики:
1) относятся локационные методы и использованием главным образом импульсного излучения.
Z: энцефалография – определение опухолей и отека головного мозга, ультразвуковое кардиография – измерение размера сердца в динамике; в офтальмологии – ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью эффекта Доплера изучается характер движения сердечных клапанов, измеряется скорость кровотока.
2) К лечению относят ультразвуковая физиотерапия. Обычно на пациента воздействуют частотой 800 кГц.
Первичным механизмом ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.
При лечение таких заболеваний как астма, туберкулез и т.д. применяю аэрозоли различных лекарственных веществ полученным с помощью ультразвука.
При операциях ультразвук применяют как “ультразвуковой скальпель”, способный рассекать и мягкие и костные ткани. В настоящее время разработан новый метод “сваривания” поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез).
Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.
- Ультразвуковая диагностика (импульсная, с использованием сканирования, доплеровская).
Ультразвуковые излучатели
Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели (основаны на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта). В этом случае под действием механической волны возникает деформация кристалла, которая приводит к генерации переменного электрического поля.
Методы диагностики и исследования
- Эхоэнцефалография (определение опухолей и отека головного мозга);
- Ультразвуковая локация (для определения глазных сред) ;
- Ультразвуковая кардиография (измерение размеров сердца в динамике);
Доплеровская эхоскопия
- Механизмы действия УЗ излучения на биологические ткани
УЗ вызывает в биологических объектах:
- Микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;
- Разрушение биомакромолекул;
- Перестройку и разрушение биологичеких мембран, изменение проницаемости мембран;
- Тепловое действие;
- Разрушение клеток и микроорганизмов
- Применение УЗ в медицине.
Давно известно, что ультразвуковое излучение можно сделать
узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил
повреждающее действие ультразвукового излучения на живые организмы.
Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что ультразвуковые волны
могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к
тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения
ультразвука для терапии различных заболеваний. Этот интерес не ослабевал и
в дальнейшем, причем развитие медицинских приложений шло по самым различным
направлениям; особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии.
Тем не менее, лишь сравнительно недавно стал намечаться истинно научный
подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии ультразвукового
излучения с биологической средой.
С применением ультразвука в медицине связано множество разных аспектов.
Однако, при этом физика явления должна включать следующие процессы:
распространение ультразвука в «биологической среде», такой как тело
человека, взаимодействие ультразвука с компонентами этой среды и измерения
и регистрация акустического излучения, как падающего на объект, так и
возникающего в результате взаимодействия с ними.
Проблема интерпретации взаимодействия акустического излучения с
биологической средой существенно упрощается, если последнюю рассматривать
не как твердое тело, а как жидкость. В такой среде нет сдвиговых волн,
поэтому теория распространения волн проще, чем для твердого тела. В
диапазоне ультразвуковых частот, применяемых в медицинской акустике, это
предположение справедливо почти для всех тканей тела, хотя имеются и
исключения, например кость. То, что взаимодействие ультразвука с тканью
можно смоделировать его взаимодействием с жидкостями, – важный фактор,
повышающий практическую ценность медицинской ультразвуковой диагностики.
Прием и измерение ультразвука
В медицинских или биологических приложениях необходимость в приеме и
измерении ультразвука возникает в трех обширных областях. Это получение
диагностической информации от пациента, измерение акустических полей,
которыми могут облучаться живые клетки и ткани, в том числе и ткани
пациентов.
Ультразвук по определению не воспринимается непосредствен-но органами
чувств человека, и поэтому необходимо использовать какой-то физический
эффект или последовате-льность таких эффектов, чтобы действие ультразвука
могло проявиться, причем главным образом количественно. Таким образом,
выбор метода для конкретной задачи производится сточки зрения удобства его
применения, а также точности измерения интересующего параметра
акустического поля.
Заключение:
Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.
