Частота ультразвуковых колебаний составляет. Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн. Использование инфразвука в медицине

Ультразвуком принято называть упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. Такое определение сложилось исторически, однако нижняя граница ультразвука, связанная с субъективными ощущениями человека, не может быть четкой, поскольку некоторые люди не могут слышать звуки с частотами в 10 кГц, а есть люди, воспринимающие частоты в 25 кГц. Для внесения четкости в определение нижней границы ультразвука с 1983 г. установлено считать ее равной 11,12 кГц (ГОСТ 12.1.001–83).

Верхняя граница ультразвука обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу ультразвуковых волн (УЗ) определяют из приблизительного равенства длины звуковой волны и средней длины свободного пробега молекул газа (~10 –6 м), что дает частоту порядка 1 ГГц (10 9 Гц). Расстояние между атомами и молекулами в кристаллической решетке твердого тела примерно равно 10 –10 м. Считая, что и длина волны ультразвука такого же порядка величины, получаем частоту 10 13 Гц. Упругие волны с частотами более 1 ГГц называют гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона или инфразвука, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, рассеяния и т. п.). Скорости распространения УЗ волн примерно такие же, как и скорости слышимого звука (см. табл. 4), а поэтому длины ультразвуковых волн значительно меньше. Так, при распространении в воде (с = 1500 м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина волны l = 1500/10 6 = 1,5·10 –3 м = 1,5 мм. Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к ультразвуку можно применять законы геометрической оптики и изготавливать ультразвуковые фокусирующие системы: выпуклые и вогнутые зеркала и линзы, которые используют для получения звуковых изображений в системах звукозаписи и акустической голографии. Помимо этого, фокусировка ультразвука позволяет концентрировать звуковую энергию, получая при этом большие интенсивности.

Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Однако, как и для обычного звука, затухание ультразвука определяется не только его поглощением, но и отражением на границах раздела сред, отличающихся своими акустическими сопротивлениями. Этот фактор имеет большое значение при распространении ультразвука в живых организмах, ткани которых обладают самыми различными акустическими сопротивлениями (например, на границах мышца – надкостница – кость, на поверхностях полых органов и т. п.). Так как акустическое сопротивление биологических тканей в среднем в сотни раз превышает акустическое сопротивление воздуха, то на границе воздух – ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Это создает определенные трудности при ультразвуковой терапии, так как слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука. Поскольку избежать прослоек воздуха между кожей и излучателем невозможно, для заполнения имеющихся между ними неровностей используют специальные контактные вещества, которые должны удовлетворять определенным требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическим сопротивлениям кожи и излучателя, обладать малым коэффициентом поглощения ультразвука, иметь значительную вязкость и хорошо смачивать кожу, быть нетоксичными для организма. В качестве контактных веществ обычно используют вазелиновое масло, глицерин, ланолин и даже воду.

ПОЛУЧЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы.

К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Первым УЗ генератором был свисток Гальтона – короткая, закрытая с одного конца трубка с острыми краями, на которые направляется воздушная струя из кольцеобразного сопла. Срывы струи на острых концах трубки вызывают колебания воздуха, частота которых определяется длиной трубки. Свистки Гальтона позволяют получать ультразвук с частотой до 50 кГц. Интересно, что подобными свистками еще в прошлом веке пользовались браконьеры, подзывая охотничьих собак сигналами, не слышными для человека.

Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Газоструйные излучатели и сирены служат почти единственными источниками мощных акустических колебаний в газовых средах, в которые из-за малого акустического сопротивления излучатели с твердой колеблющейся поверхностью не могут передать ультразвук большой интенсивности. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых ими частот, что ограничивает область их применения в биологии.

Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию акустических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели.

В 1880 г. французские ученые Пьер и Жак Кюри открыли явление, получившее название пьезоэлектрического эффекта (греч. пьезо – давлю). Если вырезать определенным образом из кристаллов некоторых веществ (кварца, сегнетовой соли) ; пластинку и сжать ее, то на ее гранях появятся разноименные электрические заряды. При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются. Пьезоэлектрический эффект обратим. Это означает, что если кристалл поместить в электрическое поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля. В переменном электрическом поле кристалл будет деформироваться в такт с изменениями направлениям вектора напряженности и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т. е. продольную акустическую волну.

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить, переменное напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель. Следовательно, один и тот же кристалл может служить и приемником, и излучателем ультразвука поочередно. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем (рис.). В связи с тем что применение ультразвука в различных областях науки, техники, медицины и ветеринарии с каждым годом возрастает, требуется все большее количество ультразвуковых преобразователей, однако запасы природного кварца не могут удовлетворить возрастающие в нем потребности. Наиболее подходящим заменителем кварца оказался титанат бария, представляющий собой аморфную смесь двух минеральных веществ – углекислого бария и двуокиси титана. Для придания ей нужных свойств аморфную массу нагревают до высокой температуры, при которой она размягчается, и помещают ее в электрическое поле. При этом происходит поляризация дипольных молекул. После охлаждения вещества в электрическом поле молекулы фиксируются в ориентировочном положении и вещество приобретает определенный электрический дипольный момент. У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз сильнее, чем у кварца, а стоимость его невысока.

Преобразователи другого типа основаны на явлении магни-тострикции (лат. strictura–сжимание). Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается в зависимости от направления намагничивания. Если стержень поместить в переменное магнитное поле, то его длина будет меняться в такт с изменениями электрического тока, создающего магнитное поле. Деформация стержня создает акустическую волну в окружающей среде.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей применяют пермендюр, никель, железоалюминиевые сплавы – альсифёры. У них большие величины относительных деформаций, большая механическая плотность и меньшая чувствительность к температурным воздействиям.

В современной ультразвуковой аппаратуре используют оба вида преобразователей. Пьезоэлектрические применяют для получения ультразвука высоких частот (выше 100 кГц), магни-тострикционные– для получения ультразвука меньших частот. Для медицинских и ветеринарных целей обычно используют генераторы небольшой мощности (10–20 Вт) (рис.).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ВЕЩЕСТВОМ

Рассмотрим, с какими параметрами колебательного движения приходится иметь дело при распространении ультразвука в веществе. Пусть излучатель создает волну с интенсивностью I =10 5 Вт/м 2 и частотой 10 5 Гц. I = 0,5rcA 2 w 2 = 2cA 2 rp 2 n 2 . Отсюда

Подставляя в формулу значения входящих в нее величин, получим, что амплитуда смещения частиц воды при данных условиях А = 0,6 мкм. Амплитудное значение ускорения частиц воды а м = Аw 2 = 2·4·10 5 м/с 2 , что в 24 000 раз превышает ускорение силы тяжести. Амплитудное значение акустического давления р а = rсАw = 5,6·10 5 Па @ 6 атм. При фокусировании ультразвука получаются еще большие давления.

При распространении ультразвуковой волны в жидкости во время полупериодов разрежения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных паром этой жидкости. Это явление носит название кавитации (лат. cavum– пустота). Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становится больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации. Для чистой воды теоретическое значение порога кавитации р к = 1,5·10 8 Па = 1500 атм. Реальные жидкости менее прочны в связи с тем, что в них всегда находятся зародыши кавитации – микроскопические газовые пузырьки, твердые частички с трещинами, заполненными газом, и т. п. Часто на поверхности пузырьков возникают электрические заряды. Захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается сильным нагревом их содержимого, а также выделением газов, содержащих атомарный и ионизированный компоненты. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям. Это проявляется в кавитационной эрозии, т. е. в разрушении поверхности твердых тел. Даже такие прочные вещества, как сталь и кварц, разрушаются под действием микроударных гидродинамических волн, возникающих при захлопывании пузырьков, не говоря уже о находящихся в жидкости биологических объектах, например микроорганизмах. Этим пользуются для очистки поверхности металлов от окалины, жировых пленок, а также для диспергирования твердых тел и получения эмульсий несмешивающихся жидкостей.

При интенсивности ультразвука менее 0,3-10 4 Вт/м 2 кавитация в тканях не происходит, и ультразвук вызывает ряд других эффектов. Так, в жидкости возникают акустические потоки, или «звуковой ветер», скорость которого достигает десятков сантиметров в секунду. Акустические потоки перемешивают облучаемые жидкости, изменяют физические свойства суспензий. Если в жидкости находятся частицы, обладающие противоположными электрическими зарядами и разными массами, то в ультразвуковой волне эти частицы будут отклоняться от положения равновесия на разные расстояния и в поле волны возникает переменная разность потенциалов (эффект Дебая). Такое явление происходит, например, в растворе поваренной соли, содержащей ионы Н + и в 35 раз более тяжелые ионы С1 – . При больших различиях в массах потенциал Дебая может достигать десятков и сотен мВ.

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии в тепловую. Тепло образуется в областях, примыкающих к границам раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. При отражении ультразвука интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. Легко убедиться в этом, прижав к влажной руке излучатель. Вскоре на противоположной стороне руки возникает болевое ощущение, похожее на боль от ожога, вызванное ультразвуком, отраженным на границе кожа – воздух. Однако тепловое действие ультразвука при интенсивностях, применяемых в терапии, очень незначительно.

В УЗ поле могут протекать как окислительные, так и восстановительные реакции, причем даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы. Одной из характерных реакций является расщепление молекулы воды на радикалы Н + и ОН – с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 и некоторых жирных кислот. Значительное действие оказывает ультразвук на некоторые биохимические соединения: от белковых молекул отрываются молекулы аминокислот, происходит денатурация протеинов и т. п. Все эти реакции стимулируются, очевидно, колоссальными давлениями, возникающими в ударных кавитационных волнах, однако законченной теории звукохимических реакций в настоящее время еще не существует.

Ультразвук вызывает свечение воды и некоторых других жидкостей (УЗ люминесценция). Свечение это очень слабое, и его обычно регистрируют фотоумножителями. Причина свечения в основном заключается в том, что при захлопывании кавитационных пузырьков происходит сильное адиабатическое нагревание заключенного в них пара. Температура внутри пузырьков может достигать 10 4 К, что приводит к возбуждению атомов газа и излучению ими квантов света. Интенсивность УЗ люминесценции зависит от количества газа в пузырьке, от свойств жидкости и интенсивности ультразвука. Это явление несет с собой информацию о природе и кинетике процессов, происходящих при облучении жидкости ультразвуком. Как было показано В. Б. Акопяном и А. И. Журавлевым, при некоторых заболеваниях УЗ свечение ряда биологических жидкостей меняется, что может лечь в основу диагностики этих заболеваний.

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

На живые организмы ультразвук, как и другие физические факторы, оказывает возмущающее действие, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Механизм возмущающего действия ультразвука изучен еще недостаточно, но можно утверждать, что он определяется совокупностью механического, термического и физико-химического действий. Эффективность этих факторов зависит от частоты и интенсивности ультразвука. Выше были вычислены амплитудные значения акустического давления и ускорения частиц среды в УЗ волне, которые оказались очень большими, однако они не дают представления о механических усилиях, приходящихся на одну клетку. Расчет сил, действующих на клетку в УЗ поле, был проведен В. Б. Акопяном, который показал, что если на клетку размером 5·10 – 5 м действует ультразвук с частотой 1 МГц и интенсивностью 10 4 Вт/м 2 , то максимальная разность растягивающих и сжимающих сил в противоположных концах клетки не превышает 10 –13 Н. Такие силы не могут оказывать на клетку заметного влияния, не говоря уже о ее разрушении. Поэтому растягивающие и сжимающие силы, действующие на клетку в УЗ волне, вряд ли могут приводить к ощутимым биологическим последствиям.

Более эффективны, по-видимому, акустические течения, приводящие к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Внутри клетки, обладающей сложной внутренней структурой, микропотоки вполне могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму и изменять ее вязкость, отрывать от клеточных мембран биологические макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный заряд, мембран и их проницаемость, оказывая влияние на жизнедеятельность клетки. Если мембраны не повреждены, то через некоторое время перешедшие во внеклеточную среду или в цитоплазму макромолекулы возвращаются обратно на поверхность мембран, хотя и неизвестно, попадают ли они именно на те места, с которых были вырваны, а если нет, то ведет ли это к каким-либо нарушениям физиологии клетки.

Разрушение мембран происходит при достаточно больших интенсивностях ультразвука, однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются уже при интенсивностях порядка 0,1·10 4 Вт/м 2 , тогда как другие выдерживают интенсивность до 25·10 4 Вт/м 2 и выше. Как правило, более чувствительны клетки животных тканей и менее чувствительны растительные клетки, защищенные прочной оболочкой. О различной ультразвуковой резистентности эритроцитов говорилось в главе I. Облучение ультразвуком с интенсивностью более 0,3·10 4 Вт/м 2 (т.е. выше порога кавитации) используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов. Так разрушают тифозные и туберкулезные палочки, стрептококки и пр. Следует отметить, что облучение ультразвуком с интенсивностью менее кавитационного порога может приводить к повышению жизнедеятельности клеток и к увеличению числа этих микроорганизмов, что вместо положительного эффекта приведет к отрицательному. Ультразвук, применяемый в терапии и диагностике, не вызывает кавитации в тканях. Это обусловлено либо заведомо низкими интенсивностями (от 0,05 до 0,1 Вт/см 2), либо использованием интенсивных (до 1 кВт/см 2), но коротких импульсов (от 1 до 10 мкс) при эхолокации внутренних органов. Усредненная по времени интенсивность ультразвука оказывается и в этом случае не выше 0,1-10 4 Вт/м 2 , что недостаточно для возникновения кавитации.

Нагревание тканей при их облучении терапевтическим ультразвуком весьма незначительно. Так, при облучении отдельных органов у коров в месте воздействия ультразвука температура кожи повышается не более чем на 1 °С при интенсивности 10 4 Вт/м 2 . При облучении ультразвуком теплота в основном выделяется не в объеме ткани, а на границах раздела тканей с разными акустическими сопротивлениями, или в одной и той же ткани на неоднородностях ее структуры. Возможно, что именно этим объясняется тот факт, что ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (печень и др.). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Не менее существенными могут оказаться и эффекты, связанные с потенциалом Дебая. Импульсы диагностического ультразвука способны обусловить в тканях потенциал Дебая до сотен мВ, что сравнимо по порядку величины с потенциалами клеточных мембран, а это может вызвать деполяризацию мембран и повышение их проницаемости по отношению к ионам, участвующим в клеточном метаболизме. Следует отметить, что изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетки, превалирует в том или ином случае.

Таким образом, биологическое действие ультразвука обусловлено многими связанными между собой процессами, некоторые из которых еще недостаточно исследованы до настоящего времени и описание которых не входит в задачу учебного пособия. Согласно В.Б. Акопяну, ультразвук вызывает в биологических объектах следующую цепочку превращений: ультразвуковое воздействие ® микропотоки в клетке ® повышение проницаемости клеточных мембран ® изменение состава внутриклеточной среды ® нарушение оптимальных условий для ферментативных процессов ® подавление ферментативных реакций в клетке ® синтез новых ферментов в клетке и т. д. Пороговым для биологического действия ультразвука будет такое значение его интенсивности, при котором не происходит нарушения проницаемости клеточных мембран, т. е. интенсивность не выше 0,01·10 4 Вт/м 2 .

Ультразвук, обладающий сильным биологическим свойством, можно применять в сельском хозяйстве. Опыты последних лет показали перспективность воздействия низкочастотным ультразвуком на семена злаковых и огородных культур, кормовых и декоративных растений.

УЛЬТРАЗВУК В МИРЕ ЖИВОТНЫХ

Некоторые птицы, ведущие ночной образ жизни, используют для эхолокации звуки слышимого диапазона (козодои, стрижи-саланганы). Козодои, например, издают резкие отрывистые крики с частой 7 кГц. После каждого крика птица улавливает звук, отраженный от препятствия, и узнает местоположение этого препятствия по направлению, откуда пришло эхо. Зная скорость распространения звука и время, прошедшее от его испускания до приема, можно вычислить расстояние до препятствия. Таких вычислений птица, конечно, не делает, но каким-то образом ее мозг позволяет хорошо ориентироваться в пространстве.

Наибольшего совершенства достигли ультразвуковые эхолокационные органы у летучих мышей. Поскольку пищей для них служат насекомые, т. е. предметы малых размеров, то для уменьшения дифракции на подобных объектах необходимо использовать колебания с малой длиной волны. В самом деле, если принять, что размер насекомого 3 мм, то дифракция на нем будет незначительной при длине волны такого же порядка величины, а для этого частота колебаний должна быть, по крайней мере, равной n = c /l = 340/3·10 –3 » 10 5 Гц = 100 кГц. Отсюда вытекает необходимость использования для эхолокации ультразвука, и, действительно, летучие мыши испускают сигналы с частотами порядка 100 кГц. Процесс эхолокации происходит следующим образом. Зверек испускает сигнал длительностью 1–2 мс, причем на это время его чувствительные ушки закрываются специальными мышцами. Затем сигнал прекращается, ушки открываются, и летучая мышь слышит отраженный сигнал. Во время охоты сигналы следуют один за другим до 250 раз в секунду.

Чувствительность эхолокационного аппарата летучих мышей очень высока. Так, например, Гриффин натягивал в темной комнате сетку из металлических проволок диаметром 0,12 мм с расстоянием между проволоками в 30 см, что лишь немного превышало размах крыльев летучих мышей. Тем не менее, зверьки свободно летали по комнате, не задевая за проволоки. Мощность воспринимаемого ими сигнала, отраженного от проволоки, была порядка 10 –17 Вт. Удивительна также способность летучих мышей выделять нужный сигнал из хаоса звуков. Во время охоты каждая летучая мышь воспринимает только те УЗ сигналы, которые она испускает сама. Очевидно, органы этих животных имеют строгую резонансную настройку на сигналы определенной частоты, и они не реагируют на сигналы, отличающиеся от собственных всего на долю герца. Такой избирательностью и чувствительностью не обладает пока ни одно локационное устройство, созданное человеком. Широко используют УЗ локацию дельфины. Чувствительность их локатора настолько велика, что они могут обнаруживать на расстоянии 20–30 м опущенную в воду дробинку. Диапазон частот, испускаемых дельфинами, составляет от нескольких десятков герц до 250 кГц, но максимум интенсивности приходится на 20–60 кГц. Для внутривидового общения дельфины используют звуки слышимого человеком диапазона, примерно до 400 Гц.

13. Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) - слышу) - наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот.

Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, медицину, гигиену, теорию музыки и другие.

Иногда (в обиходе) под акустикой понимают также акустическую систему - электрическое устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты в звуковые колебания при помощи электро-акустического преобразования. Также термин акустика применим для обозначения колебательных свойств, связанных с качеством распространения звука в какой-либо системе или каком-либо помещении, например, «хорошая акустика концертного зала».

Термин «акустика» (фр. acoustique ) был введён в 1701 году Ж. Совёром .

Тон в лингвистике - использование высоты звука для смыслоразличения в рамках слов/морфем. Тон следует отличать от интонации, то есть изменения высоты тона на протяжении сравнительно большого речевого отрезка (высказывания или предложения). Различные тоновые единицы, имеющие смыслоразличительную функцию, могут называться тонемами (по аналогии с фонемой).

Тон, как и интонация, фонация и ударение, относится к супрасегментным, или просодическим, признакам. Носителями тона чаще всего являются гласные, но встречаются языки, где в этой роли могут выступать и согласные, чаще всего сонанты.

Тоновым, или тональным, называется язык, в котором каждый слог произносится с определённым тоном. Разновидностью тоновых языков являются также языки с музыкальным ударением, в которых один или несколько слогов в слове являются выделенными, и разные типы выделения противопоставляются тоновыми признаками.

Тоновые противопоставления могут сочетаться с фонационными (таковы многие языки Юго-Восточной Азии).

Шум - беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Первоначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям, однако в современной науке оно было распространено и на другие виды колебаний (радио-, электричество).

Шум - совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум - это всякий неблагоприятный воспринимаемый звук.

Акустический, звуковой удар - это звук ассоциируемый с ударными волнами, созданными сверхзвуковым полётом самолёта. Акустический удар создаёт огромное количество звуковой энергии, похожей на взрыв. Звук удара хлыста - наглядный пример акустического удара. Это момент, когда самолёт преодолевает звуковой барьер, то, пробивая собственную звуковую волну, он создаёт мощный мгновенный большой силы звук, распространяющийся в стороны. Но на самом летящем самолёте он не слышен, поскольку звук от него "отстал". Звук напоминает выстрел сверхмощной пушки, сотрясающий весь небосвод и поэтому сверхзвуковым самолётам рекомендовано переходить на сверхзвук подальше от городов, чтобы не беспокоить и не пугать граждан

Физические параметры звука

Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через , то:

Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания :

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания , характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

При частотах воздействия, значительно меньших резонансной, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды () на скорость (с) распространения в ней ультразвуковых волн.

Удельное акустическое сопротивление измеряется в паскаль -секунда на метр (Па·с/м) или дин с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = 10 −1 дин с/см³.

Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с·см², причём 1 г/с·см² = 1 дин с/см³. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн.

Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:

где Р - максимальное акустическое давление (амплитуда давления);

На расстоянии в половину длины волны (λ/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на λ/2 пути распространения волны, равна 2Р.

Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м²). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = 10 −1 Па = 10 −1 Н/м². Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления - атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98·10 6 дин/см² = 0,98·10 5 Н/м². Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 10 6 дин/см².

Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

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 её 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 нашёл применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях - ультразвуковых весах.

Интенсивность звука (абсолютная) - величина, равная отношению потока звуковой энергии dP через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звука , к площади dS этой поверхности:

Единица измерения - ватт на квадратный метр (Вт/м 2).

Для плоской волны интенсивность звука может быть выражена через амплитуду звукового давления p 0 и колебательную скорость v :

,

где Z S - среды.

Громкость звука - субъективная характеристика, котрорая зависит от амплитуды, а значит от энергии звуковой волны. Чем больше энергия, тем больше давление звуковой волны.

Уровень интенсивности - это объективная характеристика звука.

Интенсивность - отношение падающей на поверхности звуковой мощности к площади этой поверхности. Измеряется в Вт/м 2 (ватт на кв. метр).

Уровень интенсивности определяет во сколько раз интенсивность звука больше, чем минимальная интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом.

Поскольку минимальная чувствительность, воспринимаемая человеком 10 -12 Вт/м 2 отличается от максимальной, вызывающей болевые ощущения - 10 13 Вт/м 2 , на много порядков, то используется логарифм отношения интенсивности звука к минимальной интенсивности.

Здесь k - уровень интенсивности, I - интенсивность звука, I 0 - минимальная интенсивность звука, воспринимаемая человеком или пороговая интенсивность.

Смысл логарифма в данной формуле - если интенсивность I изменяется на порядок, то уровень интенсивности при этом изменяется на единицу .

Единица измерения уровня интенсивности - 1 Б (Белл). 1 Белл - уровень интенсивности, которая в 10 раз превышает пороговую.

На практике уровень интенсивности измеряетсяв дБ (дециБеллах). Тогда формула для вычисления уровня интенсивности переписывается так:

Звуково́е давле́ние - переменное избыточное давление , возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны . Единица измерения - паскаль (Па).

Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука :

где - интенсивность звука , - звуковое давление, - удельное акустическое сопротивление среды, - усреднение по времени.

При рассмотрении периодических колебаний иногда используют амплитуду звукового давления; так, для синусоидальной волны

где - амплитуда звукового давления.

Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level ) - измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц:

дБ.

Гро́мкость зву́ка - субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления , амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы (см. , ).

Единицей абсолютной шкалы громкости является фон . Громкость в 1 фон - это громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц , создающего звуковое давление 2 мПа .

Уровень громкости звука - относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах - дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку).

Зависимость уровня громкости от звукового давления и частоты

На рисунке справа изображено семейство кривых равной громкости, называемых также изофонами . Они представляют собой графики стандартизированных (международный стандарт ISO 226 ) зависимостей уровня звукового давления от частоты при заданном уровне громкости. С помощью этой диаграммы можно определить уровень громкости чистого тона какой-либо частоты, зная уровень создаваемого им звукового давления.

Средства звукового наблюдения

Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень громкости 50 фон.

Изофона «0 фон», обозначенная пунктиром, характеризует порог слышимости звуков разной частоты для нормального слуха .

На практике часто представляет интерес не уровень громкости, выраженный в фонах, а величина, показывающая, во сколько данный звук громче другого. Представляет интерес также вопрос о том, как складываются громкости двух разных тонов. Так, если имеются два тона разных частот с уровнем 70 фон каждый, то это не значит, что суммарный уровень громкости будет равен 140 фон.

Зависимость громкости от уровня звукового давления (и интенсивности звука ) является сугубо нелинейной

кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ громкость звука возрастёт в 2 раза. Это значит, что уровням громкости 40, 50 и 60 фон соответствуют громкости 1, 2 и 4 сона.

физические основы звуковых методов исследования в клинике

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом его главное значение. Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работающих машин многое сообщают нам. Чтобы представить значение звука для человека, достаточно временно лишить себя возможности воспринимать звук – закрыть уши. Естественно, что звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний – аускультация (выслушивание). Для ау-скультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается ау-скультация. При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода.

Для одновременного выслушивания больного несколькими исследователями с учебной целью или при консилиуме используют систему, в которую входят микрофон, усилитель и громкоговоритель или несколько телефонов.

Длядиагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заклю16б чается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия. При этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при их простукивании. Схематично тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легких), жидких (внутренние органы) и твердых (кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и расположение (тонографию) внутренних органов.

15. Инфразву́к (от лат. infra - ниже, под) - звуковые волны имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. Поскольку обычно человеческое ухо способно слышать звуки в диапазоне частот 16 - 20000 Гц, то за верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0,001 Гц. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд.

Природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, поэтому инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Из-за очень большой длины волны ярко выражена дифракция.

Инфразвук, образующийся в море, называют одной из возможных причин нахождения судов, покинутых экипажем (см. Бермудский треугольник, Корабль-призрак).

Инфразвук. Действие инфразвука на биологические объекты.

Инфразвук - колебательные процессы с частотами ниже 20 Гц. Инфразвуки – не воспринимаются слухом человека.

Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функциональное состояние ряда систем организма: усталость, головная боль, сонливость, раздражение и др.

Предполагается, что первичный механизм действия инфразвука на организм имеет резонансную природу.

Ультразвук, методы его получения. Физические характеристики и особенности распространения ультразвуковых волн. Взаимодействие ультразвука с веществом. Кавитация. Применение ультразвука: эхолокация, диспергирование, дефектоскопия, ультразвуковое резание.

Ультразвуком – (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГц.

Для получения УЗ используется устройства, называемые УЗ – излучателем. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явление обратного пьезоэлектрического эффекта.

По своей физической природе Ультразвук представляет собой упруги волны и в этом он не отличается от звука . от 20 000 до миллиарда Гц. Принципиальной физической чертой звуковых колебаний является амплитуда волны, либо амплитуда смещения.

Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники. Ультразвук, затухание, в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание Ультразвук при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе.

Кавитация – сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости.

Применение ультразвука:

Эхолокация - способ, при помощи которого положение объекта определяется по времени задержки возвращений отражённой волны.

Диспергирование - Размельчение твердых веществ или жидкостей под действием ультразвуковых колебаний.

Дефектоскопия - поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и пр. с помощью специального оборудования - ультразвукового дефектоскопа .

Ультразвуковое резание - основано на сообщении режущему инструменту УЗ механических колебаний, что в значительной мере снижает усилие резания, себестоимость оборудования и повышает качество изготавливаемых изделий (нарезания резьб, сверления, точения, фрезерования). УЗ резание находит в медицине для рассечения биологических тканей.

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.

Эффект Доплера и его использование в медицине.

Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

Эффект был впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.

Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.

Проявление эффекта Доплера широко используется в различных медицинских приборах, использующих, как правило, ультразвуковые волны в МГц диапазоне частот.

Например, отражённые от красных кровяных телец ультразвуковые волны можно использовать для определения скорости кровотока. Аналогичным образом этот метод можно применять для обнаружения движения грудной клетки зародыша, а также для дистанционного контроля за сердцебиениями.

16. Ультразву́к - упругие колебания с частотой за пределом слышимости для человека. Обычно ультразвуковым диапазоном считают частоты выше 18 000 герц.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Такие колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми 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.

Физические свойства ультразвука

Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека. Собственно получение изображения можно разделить на две части. Первая - излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани и второе - формирование изображения на основе отраженных сигналов. Понимание принципа работы ультразвуковой диагностической установки, знание основ физики ультразвука и его взаимодействия с тканями тела человека помогут избежать механического, бездумного использования прибора и, следовательно, более грамотно подходить к процессу диагностики.

Звук - это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рис. 1. Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда - он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения - средой, а длина волны - и источником звука и средой. Частота - это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2. Частота ультразвуковой волны 2 цикла в 1 с = 2 Гц

Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц - это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Что же делает звук "ультра"? Это частота. Верхняя граница слышимого звука - 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) - является нижней границей ультра­звукового диапазона. Ультра­звуковые локаторы летучих мышей работают в диапазоне 25÷500 кГц. В современных ультра­звуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше. Период - это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний (рис. 3).

Рис. 3. Период ультразвуковой волны.

Единицами измерения периода являются секунда (с) и микросекунда (мксек). Одна микросекунда является одной миллионной долей секунды. Период (мксек) = 1/частота (МГц). Длина волны - это длина, которую занимает в пространстве одно колебание (рис. 4).

Рис. 4. Длина волны.

Единицы измерения - метр (м) и миллиметр (мм). Скорость распространения ультразвука - это скорость, с которой волна перемещается в среде. Единицами скорости распространения ультразвука являются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микросекунду (мм/мксек). Скорость распространения ультразвука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности среды. В таблице 2.1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека.

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с - на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов. Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением: С = f × λ. Так как в нашем случае скорость считается постоянной (1540 м/с), то оставшиеся две переменные f и λ связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объектов, которые мы можем увидеть. Еще одним важным параметром среды является акустическое сопротивление (Z). Акустическое сопротивление - это произведение значения плотности среды и скорости распространения ультразвука. Сопротивление (Z) = плотность (р) × скорость распространения (С).

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается трансдьюсером непрерывно (постоянной волной), а ультразвук излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. Частота повторения импульсов - это число импульсов излучаемых в единицу времени (секунду). Частота повторения импульсов из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Продолжительность импульса - это временная протяженность одного импульса (рис. 5).

Рис. 5. Продолжительность ультразвукового импульса.

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мксек). Фактор занятости - это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импульсов) ультразвука. Пространственная протяженность импульса (ППИ) - это длина пространства, в котором размещается один ультразвуковой импульс (рис. 6).

Рис. 6. Пространственная протяженность импульса.

Для мягких тканей пространственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1,54 (скорость распространения ультразвука в мм/мксек) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f. Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колебаний в импульсе или увеличения частоты. Амплитуда ультразвуковой волны - это максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения (рис. 7).

Рис. 7. Амплитуда ультразвуковой волны

Интенсивность ультразвука - это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см). При равной мощности излучения чем меньше площадь потока, тем выше интенсивность. Интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ультразвука, во времени.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием. Единицей затухания является децибел (дБ). Коэффициент затухания - это ослабление ультразвукового сигнала на единицу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях и уменьшение интенсивности эхосигнала в зависимости от частоты представлены в таблице 2.2.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ , колебания, имеющие столь высокую частоту, что звуки от них не воспринимаются ухом. Частоты ультразвуковых колебаний начинаются с 15000-20000 Hz. О существовании ультразвуковых колебаний было известно уже давно, а после появления в 1883 г. свистка Гальтона, издававшего неслышные звуки, демонстрация их вошла в практику преподавания. Однако до последнего времени ультразвуковые колебания не имели никакого практического значения, т. к. не существовало достаточно мощных источников ультразвуковых колебаний. Началом оживления исследований ультразвуковых колебаний следует считать 1917-19 гг., когда Ланжевену в Париже удалось применить кварц для получения мощных ультразвуковых волн в воде. В особенности же оживились исследования ультразвуковых колебаний после работ Кэди, начавшихся в 1922 г.; это оживление продолжается и в данное время.

Способы получения ультразвуковых колебаний весьма разнообразны; почти все способы получения колебаний пригодны и для ультразвуковых колебаний. Не слишком мощные звуки проще всего получаются свистком Гальтона (фиг. 1), представляющим воздушный резонатор, собственная частота которого может меняться от 10000 до 30000 Hz и против отверстия которого направляется струя воздуха. Мощность такого свистка невелика, и во всех нижеописываемых способах источником энергии ультразвуковой частоты является переменный электрический ток, получаемый обычно от автоколебательных электрических контуров с электронной лампой; исключение представляет только поющая дуга, с которой Неклепаевым в 1911 г. были получены ультразвуковые колебания и волны с частотами до 3500000 Hz, что соответствует длине волны около 0,1 мм. Волны были получены в воздухе, и оказалось, что последний весьма сильно их поглощает. Первым мощным источником ультразвуковых колебаний был пьезоэлектрический передатчик Ланжевена, предназначенный для работ в воде. Основною частью передатчика Ланжевена является пластинка Q кварца (фиг. 2), вырезанная перпендикулярно к электрической оси и снабженная плотно приклеенными к ней обкладками А, А. Если подводить к ним переменный ток, то вследствие пьезоэлектрического пластинка кварца расширяется и сжимается с частотою, равной частоте переменного тока. При подходящем выборе частоты, когда собственные колебания передатчика попадают в резонанс с током, они становятся весьма мощными и излучают большую ультразвуковую энергию. В подводном передатчике Ланжевена только одна пластинка А находится в соприкосновении с водою, другая же заключена в корпус, показанный на фиг. 2 схематически пунктиром. Такие передатчики строят обычно на частоты около 30000-40000 Hz.

Вуд и Люмис употребляли для своих опытов пластинки с весьма тонкими обкладками, практически не влиявшими на собственную частоту пластинки. Т. к. общая толщина передатчика была у них много меньше, то частота ультразвуковых колебаний у них была много больше, именно порядка 5·10 5 Hz. Мясникову удалось дойти до частот 10 6 -10 7 Hz; передатчики в обоих случаях помещались в масляной ванне, где и распространялись ультразвуковые волны. Имеются успешные попытки получать ультразвуковые колебания достаточной мощности и путем использования магнитострикционных колебаний. Гейнес получил весьма сильные ультразвуки посредством возбуждения магнитострикционных колебаний в никелевой трубке, на нижнюю часть которой, находящуюся в воздухе, действовало переменное магнитное поле, а верхняя, находящаяся в жидкости, излучала звук. Неудовлетворительные результаты дает и электрическая искра. В настоящее время лучшим практическим способом для получения мощных ультразвуковых передатчиков является способ Ланжевена. Опыты по получению тем же способом ультразвуковых волн в воздухе показали, что отдача передатчиков этого типа в воздухе весьма незначительна.

Распространение ультразвуковых волн в газах и жидкостях в общем подчиняется тем же закономерностям, как и обычные звуковые волны, однако имеются и некоторые особенности. Ультразвуковые волны в воздухе и газах весьма значительно поглощаются и тем сильнее, чем выше частота ультразвуковых волн. Кратчайшие из них, исследованные Неклепаевым, ослабляются в 100 раз, уже пройдя 6 мм. Волны в 8 раз длиннее ослабляются во столько же раз, пройдя 40 см, и т. д. Кроме того замечена некоторая дисперсия ультразвуковых волн. При больших мощностях ультразвуковых передатчиков от них кроме ультразвукового излучения идет «ветер», впервые обнаруженный Мейсснером на кварцевых пластинках, наблюдающийся и у подводных передатчиков. Если, как в опытах Вуда и Люмиса, ультразвуковые волны падают на границу двух сред (в их опытах масло - воздух и масло - вода), то поверхность соприкосновения их сильно искажается вследствие т. н. звукового давления, образуются целые фонтаны мельчайших брызг, а в опытах с маслом и водой образуется эмульсия масла в воде; ультразвуковые волны, распространяющиеся вдоль по стеклянной палочке, вызывают ощущение ожога при прикосновении к ней, хотя термометр показывает только незначительное повышение температуры. Значительны также и физиология, действия мощных ультразвуковых волн: животные и растительные клетки и бактерии погибают в поле ультразвуковых волн, так что оказалось возможным этим способом стерилизовать молоко; поблизости передатчиков Ланжевена погибали рыбки. Возможно, при дальнейшем развитии, ультразвуковые волны получат терапевтическое значение. Вследствие чрезвычайно малой длины волны в поле ультразвуковых волн наблюдается дифракция световых волн, как в дифракционных решетках (Дебай и Сирс). Построены (Пирс) интерферометры для ультразвуковых волн, служащие для определения скоростей звука в газах и жидкостях. Разнообразны приложения ультразвуковых колебаний в технике , причем почти все основаны на свойствах именно кварцевых резонаторов. В виду того что затухание в колеблющихся кварцевых стержнях, пластинках и в особенности кольцах много меньше, чем в электрических контурах, последние заменяются первыми во всех случаях, когда необходим резко выраженный резонанс. Так получили большое распространение кварцевые стабилизаторы для; свойство кварца светиться при колебаниях, так как на нем появляются электрические заряды, использовано в волноуказателях (Гибе). Частота колебаний, даваемая кварцевыми кольцами, настолько постоянна, что Моррисон использовал их для электрических часов, превзошедших по своей точности все до того известные, т. ч. кварц в настоящее время является наилучшим стандартом частоты.

Подводные кварцевые передатчики для ультразвуковых колебаний получили еще незначительное распространение, однако вследствие их высокой частоты у них имеются два достоинства по сравнению с электромагнитными подводными передатчиками: они обладают, во-первых; большой направленностью, позволяя сосредоточить пучок исходящих от них лучей в узком телесном угле; во-вторых, они имеют (при хорошей конструкции, которая еще не достигнута вполне) большой КПД. В первую очередь они получили применение как приборы по определению глубин в т. н. эхолотах . Луч исходящего от передатчика звука направляется ко дну; отражаясь от него, возвращается к тому же передатчику, который его принимает; записывающая установка регистрирует время хода звука от передатчика до дна и обратно, откуда вычисляется глубина. Ультразвуковые передатчики употребляются для телеграфирования с судна на судно, между прочим, и для подводных лодок, для которых звуковая связь - почти единственно возможная; при этом ультразвуковой передатчик является и приемником. Были попытки применения ультразвуковых лучей для открытия подводных лодок и ледяных гор (Бойль и Рейд, 1926), для просвечивания пороков в металлах (С. Соколов), однако здесь еще не получены результаты достаточно надежные, чтобы соответствующие установки могли войти в практику.

В последнее время широкое распространение в разных областях науки, техники и медицины получило использование ультразвука.

Что же это такое? Где применяются ультразвуковые колебания? Какую пользу они способны принести человеку?

Ультразвуком называют волнообразные колебательные движения с частотой более 15-20 килогерц, возникающие под воздействием окружающей среды и неслышимые для человеческого уха. Ультразвуковые волны легко фокусируются, что увеличивает интенсивность колебаний.

Источники ультразвука

В природе ультразвук сопровождает различные естественные шумы: дождь, грозу, ветер, водопад, морской прибой. Его способны издавать некоторые животные (дельфины, летучие мыши), что помогает им обнаруживать препятствия и ориентироваться в пространстве.

Все существующие искусственные источники ультразвука подразделяют на 2 группы:

• генераторы - колебания возникают в результате преодоления препятствий в виде газа или жидкостной струи.
• электроакустические преобразователи- трансформируют электрическое напряжение в механические колебания, что приводит к излучению акустических волн в окружающую среду.

Приемники ультразвука

Низкие и средние частоты ультразвуковых колебаний в основном воспринимаются электроакустическими преобразователями пьезоэлектрического типа. В зависимости от условий использования различают резонансные и широкополосные устройства.

Чтобы получить характеристики звукового поля, которые усреднены по времени, применяют термические приемники, представленные термопарами или термисторами, которые покрывают веществом, обладающим звукопоглощающими свойствами.

Оптические методы, в число которых входит дифракция света, способны оценить интенсивность ультразвука и звуковое давление.

Где применяются ультразвуковые волны?

Ультразвуковые волны нашли применение в разнообразных областях.

Условно сферы использования ультразвука можно разделить на 3 группы:

• получение информации;
• активное воздействие;
• обработка и передача сигналов.

В каждом случае используется определенный диапазон частот.

Очистка ультразвуком

Ультразвуковое воздействие обеспечивает качественную очистку деталей. При простом полоскании деталей на них остается до 80% грязи, при вибрационной чистке - близко 55%, при ручной - около 20%, а при ультразвуковой - менее 0,5%.

Детали, обладающие сложной формой, можно избавить от загрязнений только при помощи ультразвука.

Используются ультразвуковые волны и при очистке воздуха и газов. Ультразвуковой излучатель, помещенный в пылеосадочную камеру, увеличивает результативность ее действия в сотни раз.

Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов

Благодаря ультразвуку стала возможной сверхточная обработка материалов. С его помощью делают вырезы различной формы, матрицы, шлифуют, гравируют и даже сверлят алмазы.

Применение ультразвука в радиоэлектронике

В радиоэлектронике нередко возникает необходимость задержать электрический сигнал по отношению к какому-то другому сигналу. Для этого стали пользоваться ультразвуковыми линиями задержки, действие которых основано на преобразовании электрических импульсов в ультразвуковые волны. Также они способны преобразовывать механические колебания в электрические. В соответствии с этим линии задержки могут быть магнитострикционными и пьезоэлектрическими.

Использование ультразвука в медицине

Применение ультразвуковых колебаний в медицинской практике основано на возникающих в биологических тканях эффектах во время прохождения сквозь них ультразвука. Колебательные движения оказывают на ткани массажирующее действие, а при поглощении ультразвука они локально нагреваются. В то же время в организме наблюдаются различные физико-химические процессы, не вызывающие необратимых изменений. В результате ускоряются обменные процессы, что благоприятно сказывается на функционировании всего организма.

Применение ультразвука в хирургии

Интенсивное действие ультразвука вызывает сильное нагревание и кавитацию, что нашло применение в хирургии. Использование фокусного ультразвука при проведении операций дает возможность осуществлять локальное разрушающее действие в глубинных участках организма, в том числе в области головного мозга, не нанося вреда близлежащим тканям.

Хирурги в своей работе используют инструменты с рабочим концом в виде иглы, скальпеля или пилы. При этом хирургу не требуется прикладывать усилий, что уменьшает травматичность процедуры. В то же время ультразвук оказывает анальгезирующее и кровоостанавливающее действие.

Воздействие ультразвуком назначается при обнаружении в организме злокачественного новообразования, что способствует его разрушению.

Ультразвуковые волны обладает и антибактериальным действием. Поэтому они применяются для стерилизации инструментов и лекарственных средств.

Исследование внутренних органов

С помощью ультразвука осуществляют диагностическое обследование органов, расположенных в брюшной полости. Для этого применяют специальный аппарат.

Во время ультразвукового исследования удается обнаружить различные патологии и аномальные структуры, отличить доброкачественное новообразование от злокачественного, обнаружить инфекцию.

Ультразвуковые колебания используют при диагностике печени. Они позволяют определить болезни желчных потоков, исследовать желчный пузырь на присутствие в нем камней и патологических изменений, выявить цирроз и доброкачественные болезни печени.

Широкое применение нашло ультразвуковое исследование в области гинекологии, особенно при диагностике матки и яичников. Оно помогает обнаружить гинекологические заболевания и дифференцировать злокачественные и доброкачественные опухоли.

Используются ультразвуковые волны и при исследовании других внутренних органов.

Применение ультразвука в стоматологии

В стоматологии с помощью ультразвука удаляют зубной налет и камень. Благодаря ему наслоения снимаются быстро и безболезненно, без травмирования слизистой оболочки. В то же время происходит обеззараживание ротовой полости.

Частоты 16 Гц- 20 кГц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми или акустическими, например писк комара «10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими вне этого диапазона — инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов, в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука, частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики только в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования УЗ, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Что такое ультразвук

Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике.

Вот основные из них:

• Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков, по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет в оптически непрозрачных средах формировать звуковые изображения, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
• Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
• Возможность получения высоких значений интенсивности колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения, поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические физические, химические, биологические и медицинские эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

История ультразвука

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав — Англии и Франции, т.к. акустический — единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука — 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными — звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» от греческого слова, означающего «нажать». Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии — Константином Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена — Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-Упсихиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

1. получение информации посредством ультразвука
2. воздействие на вещество, существо
3. обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется для:

• контроля протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определения прочностных характеристик и состава материалов,
• определения наличия примесей,
• определения скорости течения жидкости и газа

С помощью ультразвука можно стирать, отпугивать грызунов, использовать в медицине, проверять различные материалы на наличие дефектов и еще много чего интересного.