Особенности распространения УЗ-волны.

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения части среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330м/с, в жидкости – 1500 м/с. Однако существуют особенности. А. Малая длина волны. Направленность.

Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ = v/υ, найдем: для звука с частотой υ =1 кГц длина волны

λ_зв = (1500 м/с)/1000 Гц = 1,5 м; для ультразвука с частотой υ = 1 МГц длина волны λ_уз = (1500м/с)/1000000 Гц = 1,5^.10^-3 м = 1,5 мм.

Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием, вследствие дифракции (огибания) звука, а для УЗ волны с длиной λ = 1,5 мм будет серьезным препятствием. При этом возникает УЗ-тень. Поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и преломления геометрической (лучевой оптики). То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком (прямолинейно), к которому применимы законы геометрической оптики.

Б. Поглощение.

При прохождении УЗ через вещество происходит его ослабление вследствие поглощения:

I = I₀ e ^–kℓ, где

I – интенсивность УЗ волны, прошедшей расстояние ℓ в среде;

I₀ – начальная интенсивность; k – коэффициент поглощения ультразвука в среде.

Поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костных тканях.

В. Преломление и отражение.

При прохождении УЗ через границу раздела сред с различными волновыми сопротивлениями происходит его преломление и отражение. Преломление состоит в изменении направления ультразвукового луча.

Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха (x = 1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если УЗ-излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы увеличить интенсивность УЗ-волны, прошедшей в ткани организма человека необходимо исключить воздушный слой, Для этого между излучателем и кожей помещают слой соответствующей смазки (вазелин, гель и т. д.), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.

Действие ультразвука на вещество.

Комплексное действие УЗ на вещество основано на свойствах распространения УЗ в веществах. Различают: механические, тепловые, химические действия. Эффективность этих действий зависит от частоты и интенсивности УЗ.

А. Механическое действие.

При распространении УЗ волны в зоне ее действия в веществе развиваются деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением его частиц. Эти деформации могут вызывать либо незначительные изменения структуры, либо ее разрушение. Это используют при измельчении или диспергировании сред.

При распространении УЗ в жидкости в области разряжения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву сплошности среды в данном месте и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости. Это явление называется кавитацией.

Б. Тепловое действие.

Поглощение УЗ веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию.

Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границам раздела сред с различными волновыми сопротивлениями.

В. Химическое действие.

Под действием УЗ в веществе могут происходить изменения в окислительно-восстановительных реакциях. При этом могут протекать даже такие реакции, которые в обычных условиях неосуществимы.