определяется выражением:
a = ?2A = (2?f)2 A
Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно
испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при
прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают
добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее
внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название
давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что
при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом
образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от
поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей
лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при
измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях -
ультразвуковых весах.
Распространение ультразвука
Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и
во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.
Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в
газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором
происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию
среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное
разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между
двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем
больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия
и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.
Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около
положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около
среднего положения равновесия называется колебательной скоростью.
Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:
V = U sin (2?ft + G),
где V - величина колебательной скорости;
U - амплитуда колебательной скорости;
f - частота ультразвука;
t - время;
G - разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным
акустическим давлением.
Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость,
с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется
частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.
U = 2?fA,
где А - амплитуда смещения частиц среды.
Скорость распространения ультразвуковых волн
Ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с некоторой
конечной скоростью, которая определяется упругими свойствами среды и ее
плотностью. Скорость звука в жидкостях и твердых средах значительно выше,
чем в воздухе, где она приблизительно равна 330 м/с. Для воды она будет
равна 1482 м/с при 20о С. Скорость распространения ультразвука в твердых
средах, например, в костной ткани, составляет примерно 4000 м/с.
Дифракция, интерференция
При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции,
интерференции и отражения.
Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда
длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося
на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической
волны велико, то явления дифракции нет.
При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в
определенной точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое
наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в
процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны
пересекаются, то в определенной точке биологической среды наблюдается
усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть
от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной
точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определенного участка
среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые
знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды
ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к
конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться
разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых
колебаний.
Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в
тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет
интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных
направлениях после отражения их от препятствия.
Поглощение ультразвуковых волн
Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает
вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего
трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть
по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится
меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой
распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через
него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии
преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе
необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения
частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит
также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение
пропорционально квадрату частоты.
Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения,
который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой
среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых
колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс
обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и ее
структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего
слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний
уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 37%). По Пальману при
частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для
некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая
и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука
величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4
МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани,
уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.
Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых
колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей
молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука
затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых
структур.
Глубина проникновения ультразвуковых волн
Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой
интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна
поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние,
на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.
Рассеяние ультразвуковых волн
Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука,
которое может существенно изменить простую картину распространения
ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в
первоначальном направлении распространения.
Преломление ультразвуковых волн
Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного
отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе
раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться
преломление ультразвуковых лучей.
Отражение ультразвуковых волн
На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение
происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей.
Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то
происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы
обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так
как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1 - 0,2 мм) можно
пренебречь. Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы, размеры
которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение
ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость -
окружающие ее ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и
наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение
ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на
поверхности полых органов.
Бегущие и стоячие ультразвуковые волны
Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их
отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии
колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше
расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их
колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются
ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной
степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела.
Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к
возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от
поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным
половине длины волны.
Источники ультразвука
Ультразвук - это колебания с частотами, большими 20000Гц. Частота
сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и
биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких
пучков обычно осуществляется с помощью линз и зеркал. Ультразвуковой пучок
с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего
преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из
титаната бария.
В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового
пучка, обычно используются механические источники ультразвука.
Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем
(камертоны, свистки, сирены).
Свисток Гальтона.
Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон.
Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа,
когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона
играет "губа" в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ,
пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту
"губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 Кгц)
определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В
