«А. С. Шиляев С. П. Кундас А. С. Стукин ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ И ЭКОЛОГИИ Учебно-методическое пособие Рекомендовано к изданию УМО высших учебных заведений Республики Беларусь по ...»

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Международный государственный экологический

университет имени А. Д. Сахарова»

А. С. Шиляев

С. П. Кундас

А. С. Стукин

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

В МЕДИЦИНЕ И ЭКОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие Рекомендовано к изданию УМО высших учебных заведений Республики Беларусь по экологическому образованию Под общей редакцией профессора С. П. Кундаса Минск 2009 УДК 534:57:61:574 ББК 22:32:28:1:5:28.081 Ш55 Рекомендовано к изданию УМО высших учебных заведений Республики Беларусь по экологическому образованию (протокол № 3 от 28 января 2009 г.) Ав т ор ы :

А. С. Шиляев, д.т.н., профессор С. П. Кундас, д.т.н., профессор А. С. Стукин Р е це н з е н ты :

Заслуженный деятель науки РБ, д.т.н., профессор М. Д. Тявловский д.х.н., профессор А. К. Баев Шиляев, А. С.

Ш55 Физические основы применения ультразвука в медицине и экологии :

учебно-методическое пособие / А. С. Шиляев, С. П. Кундас, А. С. Стукин ;

под общ. ред. профессора С. П. Кундаса. – Минск : МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2009. – 110 c.

ISBN 978-985-6823-88-9.

В пособии рассматриваются физические основы применения ультразвуковых колебаний в биологии, медицине и экологии, а также конкретные методы и оборудование в области ультразвуковой диагностики и терапии, в системах экологического мониторинга, при решении задач защиты окружающей среды.

Предназначено для студентов вузов экологических и медико-биологических специальностей. Может быть использовано при изучении вопросов защиты окружающей среды, медицины и биологии, а также при выполнении научно-исследовательских работ магистрантами и аспирантами.

УДК 534:57:61: ББК 22:32:28:1:5:28. © Международный государственный эколоISBN 978-985-6823-88- гический университет имени А. Д. Сахарова,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКА

МАЛЫХ И КОНЕЧНЫХ АМПЛИТУД

1.1. ПРИРОДА И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ............ 1.2. МЕТОДЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

1.3. ТИПЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ИХ В РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СРЕДАХ

1.4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКА МАЛЫХ АМПЛИТУД

1.5. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ КОНЕЧНЫХ АМПЛИТУД

1.5.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

КОНЕЧНЫХ АМПЛИТУД

1.5.2. ОСОБЕННОСТИ АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА

НА ВЕЩЕСТВО

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

В БИОЛОГИИ

2.1. ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

2.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

3. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ

3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ

3.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1.2. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОМЕТОД

3.1.3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОМЕТОД, ОСНОВАННЫЙ НА ЭФФЕКТЕ ДОПЛЕРА...

3.2. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЭХОМЕТОДА

В КАРДИОЛОГИИ

3.3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ЭХОМЕТОД В ГИНЕКОЛОГИИ

И АКУШЕРСТВЕ

3.4. ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ

3.4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.4.2. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

3.4.3. ОЦЕНКА ОБЪЕМА ОБЪЕКТА, ОСНОВАННАЯ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ СПЛАЙНОВ

3.4.4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ

ЗАБОЛЕВАНИЙ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ И ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ.................

3.4.5. СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ

3.5. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ЭРИТРОГРАММ

И ЛЕЙКОГРАММ

3.6. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕРАПИЯ

3.7. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ХИРУРГИИ

3.8. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРУШЕНИЯ ТРОМБОВ

ПРИ ЗАБОЛЕВАНИЯХ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

3.9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОТЕЗОВ ДЛЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ ХИРУРГИИ.................. 3.10. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В СТОМАТОЛОГИИ

3.11. ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ

4. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

В РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИМЕНЕНИЯ

4.2. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

4.3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ СКОРОСТИ ПОТОКА

И РАСХОДА ЖИДКОСТИ И ГАЗОВ

4.4. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОМ КОМПЛЕКСЕ..................

4.4.1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ

НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ И ОЧИСТКА НЕФТИ ОТ СОЛЕЙ........... 4.4.2. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ХРАНЕНИИ (КОНСЕРВАЦИИ) ГАЗА.....

4.5. ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ

С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ, МАГНИТНЫМИ, АКУСТИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ИНФОРМАЦИЯ О СОВРЕМЕННОМ УЛЬТРАЗВУКОВОМ

ДИАГНОСТИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

П1. УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ФИРМЫ TOSHIBA....

П2. ОБОРУДОВАНИЕ ФИРМЫ GE MEDICAL SYSTEM ULTRASOUND AND PRIMARY

CARE DIAGNOSTIC LLS, ПРИНАДЛЕЖАЩЕЙ КОМПАНИИ GENERAL ELECTRIC.......

П3. ПОРТАТИВНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ USB-СИСТЕМА

ФИРМЫ DIRECT MEDICAL SYATENS

П4. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ АППАРАТЫ «MYLABL5»

И «MYLAB20» ФИРМЫ ESAOTE (ИТАЛИЯ)

П5. СТАЦИОНАРНАЯ ЦИФРОВАЯ ЦВЕТНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ

СИСТЕМА SSI-500PLUS ФИРМЫ SONOSCAPE (КИТАЙ)

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвук в настоящее время находит широкое применение во всех сферах деятельности человека, включая медицину и экологию. Биологическое действие ультразвуковых волн связывают с явлением кавитации, возникающим в жидких средах при распространении в них ультразвука. Известно, что в каждом месте среды, куда приходит звуковая волна, наблюдаются периодические сжатия и разрежения. Фаза сжатия сопровождается большими давлениями. В следующий за сжатием момент разрежения из-за больших скоростей движения частиц в жидкости возникают разрывы. В образующиеся пустоты и устремляются пузырьки воздуха, а вместе с ним и пары жидкости. Когда вновь наступает фаза сжатия, внутри жидкости развиваются большие давления. Этот процесс и называется кавитацией.

Огромные давления в фазе сжатия и ускорения, вызываемые ультразвуковыми волнами, разрушают не только твердые и жидкие тела, но и микроорганизмы – бактерии. Практически все бактерии, вызывающие заболевания человека, гибнут под действием ультразвука, если только они предварительно были выделены из организма.

Именно поэтому было предложено применить ультразвук в экологии для обезвреживания воды и различных пищевых продуктов. Практически очень важно то, что, пропуская ультразвук через жидкость, содержащую бактерии, вызывающие заболевания, можно приготовить лечебные сыворотки, повышающие сопротивляемость человека болезни, сообщающие ему невосприимчивость, или иммунитет к данному заболеванию.

Подвергая ультразвуковому воздействию бактерии, можно выделить из них особые характерные яды – токсины.

Разрушительное действие ультразвука распространяется и на вирусы, вызывающие многие опасные заболевания. Так, например, удалось ослабить вирус, вызывающий сыпной тиф, действуя ультразвуком в течение всего одной секунды.

Положительные результаты дали опыты по стерилизации питьевой воды. Производились удачные попытки стерилизации пищевых продуктов (например, при изготовлении консервов). Преимущество облучения ультразвуком заключается в том, что консервируемый продукт не должен подвергаться, как это обычно делается, нагреву до высокой температуры, а следовательно, его вкусовые качества остаются достаточно высокими. Интересны опыты пастеризации и гомогенизации молока. Результаты превзошли все ожидания: ультразвук не только уничтожил микробы, но и сильно размельчил и раздробил капельки жира, содержащегося в молоке, вследствие чего такое молоко стало значительно лучше усваиваться организмом.

За последнее время ультразвук с успехом начинают применять в медицинской практике для лечения и диагностики различных болезней.

Такое лечение оказывает эффективное действие при целом ряде заболеваний. Особенно хорошо ультразвук действует при заболеваниях периферической нервной системы (при воспалении седалищного и тройничного нервов, невралгии и т. д.). Болевые ощущения исчезают после первых же сеансов, а через некоторое время наступает полное излечение. В настоящее время еще достаточно полно не выяснен лечебный эффект ультразвука, но уже установлено, что на ткани человека он оказывает механическое, химическое и тепловое действие. Проявляется это в резкой вибрации тканей и химических реакций, которые развиваются в результате молекулярной и коллоидно-химической перестройки. При сравнительно небольших интенсивностях ультразвуковые колебания вызывают очень интенсивное «встряхивание» тканей и являются эффективной формой «микромассажа».

На протяжении ряда десятилетий широкое применение в медицинской диагностике находят методы ультразвуковой эхолокации для наблюдения в реальном режиме времени практически за всеми внутренними органами человека, что позволяет обнаружить деструктивные изменения на ранних стадиях развития болезней.

Ультразвуковые датчики (давление, скорость движения, расход и т. п.) находят применение и в решении задач мониторинга окружающей среды.

Такой широкий спектр применения ультразвука в экологии и медицине требует обязательного изучения физических основ ультразвуковой техники и перспективных направлений ее практического применения студентами экологических специальностей. Это задача и ставилась при написании настоящего пособия.

Авторы выражают большую благодарность помощнику ректора МГЭУ им. А. Д. Сахарова А. В. Артишевской за помощь в оформлении пособия.

1. ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКА

МАЛЫХ И КОНЕЧНЫХ АМПЛИТУД

1.1. Природа и общая характеристика Звуковыми волнами называют упругие волны, распространяющиеся в какой-либо материальной среде.

В газах и жидкостях могут распространяться только продольные волны, в твердых телах наряду с продольными – поперечные и изгибные, а также волны растяжения. Вдоль поверхности жидкости или твердого тела могут распространяться поверхностные волны.

Звуковые волны различаются частотой, которая измеряется числом колебаний в секунду:

Звуковые волны делят на инфразвуковые с частотами до 16–20 Гц, слышимые звуки с частотами от 20 до 20000 Гц, ультразвуковые с частотами от 20103 Гц до 20109 Гц и гиперзвуковые с частотами, большими 109 Гц.

Следует подчеркнуть, что деление упругих волн на слышимые звуки и не воспринимаемые человеческим ухом инфра-, ультра- и гиперзвуки условно.

Физическая природа слышимых и неслышимых звуков едина, и деление их вызвано особенностями слухового аппарата человека. Верхняя граница слышимых звуков изменяется с возрастом человека. Дети способны воспринимать звуки более высокой частоты, чем люди преклонного возраста.

Поскольку при распространении волны частицы среды совершают колебательные движения около положений равновесия, не перемещаясь поступательно, постольку в случае волны мы встречаемся с переносом энергии без одновременного переноса массы. Естественно поэтому, что для звуковой волны важной характеристикой является переносимая ею энергия.

Акустическая энергия, приходящаяся на единицу объема вещества, в котором распространяется звуковая волна, называется плотностью энергии Е и измеряется в Дж/м3.

Если плотность среды r, частота колебаний n и амплитуда колебаний А, то При акустических исследованиях обычно говорят об интенсивности звуковой волны I, или, что то же самое, о силе звука, измеряемой энергией, переносимой волной за 1 с через площадку 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. Интенсивность звука связана простой зависимостью с плотностью энергии:

где с – скорость распространения звуковой волны в веществе.

Интенсивность звука измеряется в Вт/м2. От интенсивности звука зависят максимальные значения смещения x (м), ускорения а (м/с2) и колебательной скорости n (м/с) частицы среды, в которой распространяется звуковая волна.

Эти зависимости выражаются следующими уравнениями:

Колебательные движения частиц среды при распространении звуковой волны приводят к возникновению в среде переменного звукового давления Р, периодически изменяющегося с частотой звука. Амплитуда избыточного давления Р в звуковой волне зависит от интенсивности звука I и может быть вычислена с помощью формулы где р – плотность вещества; с – скорость звука в нем. Звуковое давление в системе СИ измеряется в Па.

При некоторых применениях ультразвука большое значение имеет величина РL, называемая давлением излучения (давление Ланжевена). Если плоская звуковая волна интенсивностью I падает на препятствие, полностью отражающее звуковые колебания, то, как показывает теория, волна оказывает на препятствие давление, равное где с – скорость звука.

Если препятствие полностью поглощает звук, то давление излучения будет в половину меньше, т. е.

Звуковые волны распространяются в веществе с определенной скоростью С, зависящей от свойств и состояния вещества.

В реальной среде распространение звуковой волны связано с превращением акустической энергии в другие виды энергии, что приводит к уменьшению интенсивности звука, а следовательно (см. уравнение 1.2), и амплитуды колебаний – акустическая волна затухает.

Уменьшение амплитуды плоской акустической волны с расстоянием подчиняется экспоненциальному закону.

Если в какой-либо точке пространства амплитуду колебаний звуковой волны обозначить А0, то после того, как волна пройдет путь Х, амплитуда уменьшится до величины Ах, находимой из соотношения Величина a называется амплитудным коэффициентом поглощения звука. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату амплитуды (уравнение 1.2), можно написать:

где I0 – интенсивность звука в точке х = 0; Ix – интенсивность звука на расстоянии х.

Раздел физики, изучающий взаимодействие ультразвуковых волн с веществом, называется молекулярной акустикой.

Молекулярная акустика имеет дело в основном с волнами ультразвуковых и гиперзвуковых частот, и это не случайно. При высоких частотах длина звуковых волн настолько мала, что становится сравнимой с размерами комплексов молекул и даже больших молекул. Короткие волны особенно интенсивно взаимодействуют с веществом, в котором они распространяются. Ряд весьма интересных эффектов, наблюдающихся при этом, не только раскрывает механизм акустической энергии в газе, жидкости и твердом теле, но и, что особенно важно, позволяет проникнуть в тайны строения вещества и структуры составляющих вещество частиц.

Как оказалось, молекулы или их комплексы сами способны вызывать звуковые волны, которые тоже изучаются молекулярной акустикой.

Молекулярную ультразвуковую акустику можно подразделить на две части – малых амплитуд и конечных амплитуд. Каждая из них имеет свои задачи и методы исследования.

Молекулярная акустика малых амплитуд позволяет изучать «истинные» свойства вещества. Молекулярная ультраакустика конечных амплитуд изучает такое воздействие ультразвука на вещество, при котором происходит изменение его физико-химических свойств, структуры и т. п. Конечно, чтобы полностью разобраться в процессах, происходящих при воздействии на вещество мощных ультразвуковых волн, нужно знать его исходные, или, как говорят, начальные акустические свойства. А для этого вещество необходимо исследовать волнами малой амплитуды.

При повышении некоторого предельного для данной среды значения интенсивности ультразвука и переходе от распространения колебаний малой амплитуды все большую роль начинают играть нелинейные эффекты. В этом случае ультразвуковые колебания конечной амплитуды, распространяющиеся в среде, изменяют ее свойства. Важнейшими проявлениями действия мощного ультразвука на жидкость и границу разделов «жидкость – газ», «жидкость – твердое тело» являются кавитация, акустические течения, радиационное давление, ультразвуковой капиллярный эффект и т. д., обуславливающие воздействие ультразвука на все известные процессы в окружающей среде.

Направленные ультразвуковые пучки применяются для целей локации в воде (обнаружения предметов и определения расстояний от них).

Ультразвуковые локаторы используются для обнаружения айсбергов, косяков рыб, для измерения глубины моря (гидроакустика).

Ультразвук используется для целей дефектоскопии, т. е. обнаружения дефектов в изделиях. Посылая в изделие и регистрируя отраженные от дефекта ультразвуковые импульсы, судят об их размерах и месте расположения. Они положены в основу методов контроля и анализа различных сложных систем:

· ультразвукового контроля в производстве минеральных удобрений;

· ультразвукового контроля белка и жира в молоке, анализа состава молока;

· ультразвукового контроля и измерения параметров физикохимических процессов в перерабатывающей и пищевой промышленности;

· ультразвуковой диагностики в медицине.

Если подвергнуть действию мощного ультразвука две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду), то образуется эмульсия, состоящая из мельчайших капелек масла, распределенных в воде. Так получают различные лекарства. Ультразвуковым лучом разрушают клетки раковых опухолей, камни в почках.

Разработаны физико-химические основы процессов, протекающих в продуктах питания в мощных ультразвуковых полях: диспергирование, эмульгирование, смешение, гомогенизация, кристаллизация, фильтрация, диффузия, экстракция, сушка, коагуляция гидро- и аэрозолей, деаэрация, стерилизация, пастеризация и т. д. Эти разработки лежат в основе ультразвуковой интенсификации технологических процессов в производстве продуктов питания, перерабатывающей и пищевой промышленности.

Мы уже отмечали, что ультразвук – это упругие колебания в газе, жидкости или твердом теле с частотой свыше 20 кГц. Верхняя граница ультразвукового диапазона лежит в области сотен мегагерц. Обе границы – как верхняя, так и нижняя – достаточно условны. В этом диапазоне частот на практике наиболее освоены две области ультразвука: низкочастотного (килогерцевый диапазон) – 20–66 кГц (чаще всего ультразвуковая аппаратура работает в этом диапазоне на 22 ± 1,6 кГц или на 44 ± 4,4 кГц) и высокочастотного (мегагерцевый диапазон) – 0,5–10 МГц.

Для получения колебаний ультразвуковой частоты в настоящее время применяют генераторы в основном трех типов: механические, магнитострикционные, пьезоэлектрические.

Один из видов механических ультразвуковых излучателей представлен на рис. 1.1. Он состоит из неподвижного диска 1 с отверстиями – статора и подвижного диска 2 с зубцами – ротора. При вращении ротора с помощью двигателя 5 отверстия 3 в статоре попеременно то закрываются зубцами, то оказываются в промежутках между ними. Если подвести к штуцеру 4 сжатый воздух или жидкость под давлением, то из генератора вырывается пульсирующая воздушная или жидкая струя, создающая ультразвуковые колебания.

В магнитострикционных излучателях используется свойство ферромагнитных материалов изменять свои размеры при намагничивании (магнитострикционный эффект).

Если стержень из ферромагнитного материала поместить в электромагнитную катушку, по которой протекает переультразвуковой излучатель менный электрический ток, то длина стержня будет периодически изменяться: стержень будет то удлиняться, то укорачиваться. Магнитострикционный эффект уменьшается с повышением температуры и при некоторой характерной для данного материала температуре (точка Кюри) делается равным нулю. Для уменьшения нагревания излучателя индукционными токами Фуко его обычно изготавливают из отдельных полос магнитострикционного материала. Катушку магнитострикционного преобразователя присоединяют к генератору электрических колебаний. Схематически магнитострикционный излучатель представлен на рис. 1.2.

Принцип работы пьезоэлектрического излучателя ультразвука состоит в следующем (рис. 1.3). Кристаллы некоторых веществ обладают тем свойством, что если из них вырезать определенным образом ориентированную пластинку, то при сжатии или растяжении ее на противоположных гранях возникают разноименные электрические заряды. Возникновение (NaKC4H4O64H2O), дигидрофосфата аммония (NH4H2PO4) и некоторые другие вещества и синтетические материалы.

Рис. 1.2. Магнитострикционный Пьезоэлектрический эффект противоположным граням пластинки, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла или материала, подвести разноименные электрические заряды, то пластинка деформируется. При одном расположении зарядов пластинка станет толще, при другом – тоньше.

Рис. 1.3. Пьезоэлектрический излучатель Обратный пьезоэлектрический эффект используется для генерирования ультразвука. Для этой цели противоположные грани пьезопластин покрывают тонким слоем металла и присоединяют к генератору электрических колебаний ультразвуковой частоты. Под действием переменного электрического поля грани пластинки совершают поршнеобразные движения, создавая в окружающем веществе ультразвуковую волну соответствующей частоты.

Магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели, как правило, не допускают плавного изменения частоты.

Для воздействия ультразвука на вещество обычно используются магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели. При ультразвуковых исследованиях свойств вещества в диагностике и измерениях используются преимущественно пьезоэлектрические источники.

1.3. Типы ультразвуковых волн и закономерности распространения их в различных физических средах Как уже отмечалось, ультразвук представляет собой упругие волны, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразных средах. При распространении упругой волны в среде возникают механические деформации, которые переносятся волной из одной точки среды в другую, т. е. существует перенос энергии упругой деформации в отсутствие потока вещества. В жидкостях и газах, которые обладают только упругостью объема, могут распространяться лишь продольные волны разрежения-сжатия, тогда как в твердых телах, обладающих упругостью объема и формы, – продольные и сдвиговые волны. В случае продольных волн смещение частиц среды происходит параллельно, а в случае сдвиговых – перпендикулярно направлению распространения волны.

На границе твердого полупространства с вакуумом, газом, жидкостью или с другим твердым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны, являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы. Наиболее характерными являются волны Рэлея, у которых вектор колебательного смещения частиц среды расположен в плоскости, перпендикулярной к граничной поверхности. Волны данного типа имеют две компоненты смещения, одна из которых перпендикулярна границе, а вторая параллельна направлению распространения волны.

На границе твердого полупространства с твердым слоем могут существовать волны с горизонтальной поляризацией – волны Лява. Это волны чисто поперечные и имеют только одну компоненту смещения, перпендикулярную направлению распространения волны и лежащую в плоскости, параллельной границе раздела.

Кроме указанных типов волн на свободной поверхности жидкости в ультразвуковом диапазоне могут возникать поверхностные волны, обусловленные не упругими силами, а поверхностным натяжением, так называемые капиллярные волны. В ограниченных средах, в отличие от неограниченных, распространяются так называемые нормальные волны, которые удовлетворяют не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхностях. Для твердотельных волноводов в большинстве практических случаев эти условия сводятся к отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Нормальные волны – это гармонические волны, распространяющиеся в волноводе без изменения формы.

Любое звуковое поле внутри волновода в области, где источники звука отсутствуют, может быть представлено в виде суперпозиции нормальных волн, т. е. любое сложное волновое движение распадается на сумму нормальных волн, а поток упругой энергии равен сумме потоков всех нормальных волн. По структуре звукового поля каждая нормальная волна представляет собой волну, бегущую вдоль волновода и стоячую в поперечном направлении.

Разные нормальные волны различаются числом и распространением узловых поверхностей давления в поперечном сечении волновода. Число узловых плоскостей определяет порядок или номер нормальной волны.

В пластинах нормальные волны подразделяются на два класса: волны Лэмба и поперечные нормальные волны.

Волны Лэмба – упругие волны, распространяющиеся в пластине со свободными границами и имеющие две компоненты колебательного смещения: в направлении распространения волны и перпендикулярно плоскости пластины. Волны Лэмба делятся на симметричные и антисимметричные в зависимости от совпадения или противоположности знаков смещения в верхней и нижней половинах пластины. При увеличении толщины пластины смещение локализуется вблизи свободных границ и волна Лэмба трансформируется в волну Рэлея.

Поперечные нормальные волны обладают только одной компонентой смещения (отсутствующей в волнах Лэмба), параллельной плоскости пластины и перпендикулярной распространению волны. Деформация в поперечной нормальной волне представляет собой чистый сдвиг.

Распространение звуковой волны в среде определяется законами отражения, преломления, дифракции и рассеяния звука.

Законы отражения и преломления звука относятся к геометрической акустике, и их применение для описания звукового поля возможно, когда характерный геометрический размер Д, т. е. размер источника колебаний или препятствий на пути распространения волны, значительно превосходит длину звуковой волны l. В иных случаях необходим учет дифракционных явлений.

Скорость распространения ультразвуковых волн в неограниченной среде определяется упругостью и плотностью среды. Наличие границ приводит к зависимости скорости от частоты колебаний, т. е. к дисперсии скорости звука.

При излучении звука в реальных средах происходит уменьшение амплитуды и интенсивности колебаний по мере распространения волны в определенном направлении. Затухание звука определяется расхождением фронта волны, рассеянием и поглощением звука. В результате поглощения звука происходит необратимый переход звуковой энергии в другие виды и в первую очередь в тепловую. Механизм поглощения звука на всех частотах определяется наличием в среде сдвиговой вязкости (внутреннего трения) и теплопроводности. Кроме того, практически во всех средах в определенном интервале частот возникает аномальное поглощение звука в результате протекания в среде релаксационных процессов, имеющих как физическую, так и химическую природу.

При значительном возрастании интенсивности звуковых волн в их поле возникают нелинейные эффекты. Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды, вызванный распространяющейся волной и влияющий на распространение данной волны.

Звуковые колебания передаются в среде от частицы к частице благодаря имеющимся между ними силам связи. Следовательно, скорость распространения зависит только от упругости и плотности среды и не зависит от частоты и интенсивности колебаний.

В газах и жидкостях имеют место только продольные колебания, в твердых телах – и продольные, и поперечные.

Скорость продольных волн (табл. 1.1) скорость выражается формулой:

где Е – модуль Юнга (н/м2); r – плотность среды (кг/м3).

Скорость поперечных волн примерно в два раза меньше скорости продольных.

Скорость продольных волн в различных веществах Наименование Скорость, Связь между длиной волны и частотой колебаний выражается формулой где с – скорость звука; f – частота колебаний.

Звуковые волны в среде вызывают соответствующие движения ее частиц, что обуславливает возникновение переменного давления.

Давление, как и отклонение частицы, может быть как положительным, так и отрицательным, так что в данной среде две точки, отстоящие друг от друга на расстояние полуволны, могут иметь разницу в давлении на величину двух максимальных давлений (2Р).

Кроме переменного давления звуковые волны при встрече с границей двух сред оказывают на нее давление, постоянное по направлению и величине, называемое давлением излучения.

Законы преломления при переходе ультразвука из одной среды в другую выражаются таким же отношением, как и для световых волн:

где a и g – углы падения и преломления; с1 и с2 – скорость ультразвука в 1-й и 2-й средах соответственно.

Закон отражения для ультразвуковой энергии, падающей на границу двух бесконечных сред, выражается отношением где R1 – отраженная от границы энергия, кг/м2с; R0 падающая на границу энергия, кг/м2с; r1 и r2 – плотности сред, кг/м3; с1 и с2 – скорости ультразвука в средах, м/с.

Произведение rс называется акустическим сопротивлением среды (кг/м2 с).

Из соотношения (1.14) видно, что отражение на границе двух сред тем больше, чем больше разность между акустическими сопротивлениями сред.

Ультразвуковая энергия по мере прохождения через среду затрачивается на преодоление сил, связывающих частицы. Энергия теряется за счет рассеивания на всевозможных мелких инородных включениях, всегда имеющихся в среде (газ, инородные молекулы, флуктуации и частицы).

Опыт показывает, что измеряемая наблюдателем частота волны f совпадает с частотой f0 колебаний, испускаемых источником волн только в условиях, когда наблюдатель и источник либо неподвижны относительно окружающей их упругой среды, либо движутся относительно нее с одинаковыми по величине и направлению скоростями. Во всех остальных случаях f f0. Это явление получило (рис. 1.4, а, б, в).

Рассмотрим отдельно случаи, когда источник приближается или удаляется от наблюдателя.

Пусть скорость волны относительно среды равна с. Источник И приближается или удаляется от наблюдателя Н со скоростью v.

Первоначальное расстояние между И и Н равно а.

Рис. 1.4. Эффект Доплера: а – двиИмпульс, испущенный исжение источника относительно наточником И в момент времени t, мени t2. За время t = t2 – t1 источ- в – одновременное движение ник приблизится к наблюдателю на источника и наблюдателя расстояние S = v(t2 – t1) или удалится на такое же расстояние. Поэтому момент времени, в который второй импульс достигнет наблюдателя, будет равен Знак «+» относится к случаю удаляющегося источника, знак «–» – к случаю приближающегося источника.

Промежуток времени, в течение которого наблюдатель воспринимает два последующих импульса, испущенных за время t, будет равен Количество длин волн, испущенных источником за промежуток времени t, равно N = v0t. Поэтому частота, воспринимаемая наблюдателем, будет Пусть наблюдатель движется относительно среды со скоростью u (рис.1.5). Рассуждая аналогично, можно написать, что Знак «+» относится к случаю приближения наблюдателя к источнику, знак «–» – к удалению.

Время, в течение которого наблюдатель будет воспринимать дошедшие до него волны, равно Частота, воспринимаемая наблюдателем, равна На измерении скорости распространения и поглощения ультразвука в веществе основывается диагностика, контроль различных физических и химических процессов и некоторых характеристик сред.

Так, по данным измерения скорости звука определяют упругие и прочностные свойства металлов, керамики и бетона, оценивают степень чистоты материалов и концентрации примесей. Измерение скорости и поглощения ультразвука в жидкостях позволяет наладить экспресс-контроль протекания некоторых химических реакций. В газовой среде измерение скорости звука дает возможность проконтролировать состав газовых смесей.

Для ультразвукового контроля различных сред обычно используется следующий частотный диапазон: твердые тела – 104–108 Гц; жидкости – 107 Гц; газы – 105 Гц.

Исследование некоторых свойств веществ (твердость, вязкость) и условий хранения жидкостей (контроль уровня) основывается на регистрации сопротивления нагрузки по так называемому импедансному методу.

Необходимо отметить также, что диагностика и указанные методы контроля свойств вещества и протекание технологических процессов характеризуются относительно высокой точностью, экспрессностью, применением малой интенсивности ультразвука, легко поддаются автоматизации и позволяют производить дистанционные измерения в агрессивных и взрывоопасных средах.

Распространение ультразвука малой интенсивности происходит, как уже упоминалось, по законам геометрической оптики (точнее, геометрической или лучевой акустики).

Колеблющийся пьезоэлемент при достаточно больших размерах a в сравнении с длиной волны l (на высоких ультразвуковых частотах) создает в окружающей среде волновое поле, имеющее вблизи излучателя приблизительно цилиндрическую форму (зона Френеля) и переходящее с некоторого расстояния Z в усеченный конус с углом 2a при вершине (зона Фраунгофера). Таким образом, ультразвуковые колебания распространяются узким, слегка расходящимся пучком. При дисковой форме излучателя направленность характеризуется соотношением sina = 1,22 l/a.

Амплитуда колебаний частиц среды постепенно убывает по мере удаления от излучателя по двум причинам: из-за геометрического расхождения пучка и увеличения фронта волны, а также из-за наличия потерь на внутреннее трение и вследствие перехода акустической энергии в тепловую.

В зависимости от типа волн и характеристик среды параметры ультразвуковых колебаний, т. е. скорость ультразвука, поглощение и акустическое сопротивление, могут принимать самые разные значения (табл. 1.2).

Различие в акустических сопротивлениях газов, жидкостей и твердых тел использует метод ультразвуковой дефектоскопии, так как преобладающее число случаев существования дефекта можно трактовать как границу металл–воздух, а значит, почти полное отражение акустической энергии.

Основные акустические характеристики различных веществ алюминия плавленый органическое (фторопласт) трансформ.

Коэффициент отражения в виде доли отраженной энергии обычно подсчитывают по уравнению где r1с1 – акустическое сопротивление металла; r2с2 – акустическое сопротивление воздуха.

Наряду с диагностикой и дефектоскопией ультразвуковые методы широко применяются для изучения свойств, состава и структуры веществ как с целью научного исследования, так и в промышленном производстве для контроля протекания физико-химических процессов.

Основу этого контрольно-измерительного применения ультразвука составляет измерение скорости и затухания ультразвука в твердых телах, жидкостях и газах в зависимости от состава и структуры контролируемого вещества. В отдельных случаях физический смысл измерения состоит в измерении импеданса на границе между средами с разным волновым сопротивлением.

Измерение скорости и коэффициента поглощения ультразвука в жидкостях дает информацию о ее молекулярной структуре, концентрации растворов и взвесей.

Автоматизация процесса производства различных полимеров, синтетического каучука, минеральных удобрений и т. п. невозможна без использования акустических методов. При этом точность определения концентраций при помощи акустических измерений достаточно велика – погрешность определения концентрации аммиака составляет 0,2 %.

Ультразвуковые измерения в газах дают возможность контролировать состав газовых смесей. При помощи акустических газоанализаторов удается вести слежение за процессом накопления опасных примесей в химической и горнорудной промышленности.

Измерение скорости ультразвука в движущихся газовых и жидких средах позволяет создать ультразвуковые расходомеры. Большая часть из них использует эффект Доплера, связанный с рассеиванием и отражением частицами потока ультразвуковых колебаний. Принятый сигнал отличается от посланного по частоте, и величина частотного сдвига пропорциональна скорости движения среды.

1.4. Методы измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвука малых амплитуд Для измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвука чаще всего используется какой-либо из следующих четырех основных методов:

· интерферометрия;

· оптический;

· импульсный;

некотором расстоянии от совершающей ультразвуковые колебания пьезокварцевой пластинки 1 располагают плавно перемещающийся рефлектор 2, отражающая поверхность которого параллельна излучающей поверхности пластинки. Для возбуждения механических колебаний кварцевой пластинки последнюю присоединя- Рис. 1.5. А – ультразвуковой интерфеют к генератору электриче- рометр, Б – изменение величины тока ских колебаний. Идущая от в генераторе при перемещении пластинки ультразвуковая волна достигает рефлектора, отражается от него и падает на излучающую кварцевую пластинку. В результате отражения волны от рефлектора в веществе, заключенном между рефлектором и пластинкой, фактически распространяются две встречные волны одинаковой частоты. При перемещении рефлектора в результате сложения этих волн периодически возникают стоячие волны.

Возникновение стоячих волн, в свою очередь, сказывается на колебаниях кварцевой пластинки. При движении рефлектора периодически, через промежутки, равные половине длины волны ультразвука в веществе, находящиеся между пластинкой и рефлектором, мощность излучения пластинки достигает максимума. Когда рефлектор находится посередине между положениями, соответствующими максимумам излучения, волна, идущая от пластинки, имеет минимальную мощность. Изменения в условиях колебания кварцевой пластинки вызывают изменение целого ряда величин, характеризующих колебательную систему в целом. Так, например, при этом изменяются величина анодного тока IА в генераторе, к которому присоединена кварцевая пластинка, напряжение на ее обкладках, величина тока, текущего через кварц, и т. д.

Измерив расстояние l между двумя положениями рефлектора, соответствующее, например, n – максимуму анодного тока, и зная частоту колебаний генератора f, можно определить скорость ультразвука С с помощью формулы По мере удаления рефлектора от колеблющейся кварцевой пластинки разница между максимальным и минимальным значениями анодного тока уменьшается. Это обстоятельство связано с поглощением ультразвуковой волны в веществе, в котором распространяется ультразвук. Ввиду этого метод ультразвукового интерферометра позволяет определить не только скорость, но и коэффициент поглощения ультразвука.

В оптическом методе чаще всего используют явление дифракции света на ультразвуковой волне. Суть метода состоит в том, что если создать акустическую волну в жидкости, налитой в прозрачную кювету, и перпендикулярно направлению волны пропустить параллельный пучок световых Рис. 1.6. Схема установки для исследона узкой щели 3. Расходявания скорости распространения ультразвуковых волн малых амплитуд в щийся пучок, выходящий из жидких средах щели, объективом 4 превращался в параллельный. На пути параллельного пучка лучей располагался рабочий сосуд, наполненный исследуемой жидкостью. Пьезокварцевая пластинка 6, создавшая ультразвуковую волну, с помощью упругой пружины прижималась к дну рабочего сосуда. Длиннофокусный объектив собирал лучи на экране 8. Если кварц не возбужден, то на экране наблюдалось обычное изображение щели. При возбужденном кварце на экране кроме основного изображения хорошо были видны изображения дифракционных спектров 1-го, 2-го, 3-го, а иногда и более высоких порядков.

Условием, определяющим возникновение спектров 1-го порядка при дифракции света на ультразвуковой квазидифракционной решетке, является выполнение соотношения где l – постоянная ультразвуковой квазидифракционной решетки, равная длине волны ультразвука; j – угол отклонения луча в спектре;

n = 1,2,3… – порядок спектра; lопт. – длина световой волны.

На практике для определения длины волны ультразвука используют несколько упрощенное выражение где dn – расстояние от центрального изображения щели до изображения щели в спектре n-го порядка и F – главное фокусное расстояние линзы.

Расстояние dn определяют или визуально с помощью отсчетного микроскопа, или же изображение спектра фотографируется и расстояние между спектральными изображениями щели измеряют с помощью микрофотометра или компаратора.

Определив длину волны и зная частоту колебаний генератора, вычисляют скорость звука, пользуясь уравнением (1.12).

При определении оптическим методом коэффициента поглощения ультразвука используется то обстоятельство, что для ультразвуковых колебаний малой мощности, при которых наблюдаются только дифракционные спектры первого порядка, интенсивность последних линейно зависит от амплитуды ультразвуковой волны. Это дает возможность, измеряя интенсивность спектров первого порядка на двух различных расстояниях от колеблющейся кварцевой пластинки, вычислить коэффициент поглощения ультразвука в исследуемой жидкости. Сравнение интенсивности спектров производят или при помощи фотоэлементов, а также микрометрируя фотографическое изображение спектров.

Принципиальная схема импульсного метода измерения скорости и поглощения ультразвука представлена на рис. 1.7 [3, 12].

Рис. 1.7. Блок-схема установки для измерения скорости и поглощения ультразвука импульсным методом Электрический импульс от генератора запускающих импульсов подается одновременно на импульсный генератор, связанный с кварцем, и на вертикальные пластины осциллографа. Генератор импульсов создает при этом последовательность электрических колебаний, превращаемый пьезокварцевой пластиной в ультраакустический импульс, состоящий из нескольких десятков ультразвуковых волн.

Импульс, поступивший на осциллограф, вызывает на его экране резкий выброс электронного луча, отмечающий время «выхода» ультразвукового импульса, и запускает развертку.

Ультразвуковой импульс, распространяясь в жидкости со скоростью С, достигает рефлектора и, отразившись от него, вновь попадает на пьезокварцевую пластинку, превращаясь снова в электрический импульс. Отраженный импульс без потерь поступает через делитель напряжения, или, как его часто называют, аттенюатор, и усилитель также на вертикальные пластины осциллографа. На экране осциллографа появляется второй выброс, отмечающий приход отраженного сигнала.

Для определения времени, прошедшего между посылкой сигнала и приходом отраженного сигнала, на экране осциллографа создаются специальные световые «метки времени». Число меток времени, укладывающихся выбросами электронного луча на экране осциллографа, позволяет определить время, необходимое для того, чтобы ультразвуковой импульс достиг рефлектора и, отразившись от него, попал на пьезокварцевую пластинку.

При определении скорости звука импульсным методом измеряют величину Dt, соответствующую изменению того промежутка, который разделяет посылку акустического импульса и приход сигнала, отраженного от рефлектора, при перемещении последнего на расстояние Dl. Если величины Dt и Dl измерены, то скорость звука можно определить из соотношения Иногда более удобно перемещать рефлектор до тех пор, пока выброс, отвечающий отраженному сигналу, не достигнет определенной отметки времени Dt, а затем по шкале измерить соответствующее перемещение рефлектора.

Для нахождения коэффициента поглощения ультразвука импульсным методом с помощью аттенюатора выравнивают величину сигнала, подаваемого на усилитель таким образом, чтобы выброс на экране осциллографа оставался неизменным при различных расстояниях между кварцем и рефлектором. Считая, что амплитуда переменного напряжения, возникающего на кварце под действием переменного давления, созданного поступающим из жидкости ультразвуковым импульсом, пропорциональна амплитуде этого давления и эта зависимость не искажается при усилении, можно определить коэффициент поглощения ультразвука с помощью уравнения где DА – изменение амплитуды в децибелах и Dl – расстояние между соответствующими положениями рефлектора.

Рассмотрим особенности фазового метода измерения скорости распространения ультразвуковых волн. Так как распространение ультразвука в исследуемом веществе требует некоторого времени, то электрические колебания источника и приемника ультразвука будут сдвинутыми по фазе на величину, равную где f – частота ультразвуковых колебаний; d – расстояние между источником и приемником ультразвука в исследуемом веществе.

Используя формулу (1.27), представляется возможным определить скорость ультразвука с.

1.5. Ультразвуковые колебания ультразвуковых колебаний конечных амплитуд Как уже отмечалось, скорость распространения ультразвука в материальной среде определяется упругостью и плотностью (см. формулу 1.1). Однако при повышении некоторого предельного для данной среды значения интенсивности ультразвука и переходе от распространения колебаний малой амплитуды все большую роль начинают играть нелинейные эффекты. В этом случае ультразвуковые колебания конечной амплитуды, распространяющиеся в среде, изменяют его физические свойства. Важнейшими проявлениями действия мощного ультразвука на жидкость и границу разделов «жидкость – газ» и «жидкость – твердое тело» являются кавитация, акустические течения, радиационное давление, ультразвуковой капиллярный эффект и т. д., обуславливающие воздействие ультразвука практически на все известные технологические процессы, организм человека, животных, биологические объекты.

Распространение ультразвука конечной амплитуды в жидкости с развитием кавитационных явлений сопровождается протеканием ряда физико-химических процессов, которые имеют большое практическое значение: дегазация, нагревание, эмульгирование, химическое действие, коагуляция, диспергирование и др. Рассмотрим подробнее эти процессы.

Благодаря отрицательным давлениям, которые возникают в среде при прохождении через нее ультразвуковых колебаний конечной амплитуды, в ней могут происходить микроскопические разрывы. Эти разрывы (полости) исчезают при положительном давлении. В тех случаях, когда в среде растворены газы, этот процесс начинается при меньших отрицательных давлениях, т. е. при меньших интенсивностях ультразвука.

Отрицательное давление, требуемое для начала кавитации, равно сумме давлений, вызываемых силами молекулярного сцепления частиц среды и внешнего давления.

В легких жидкостях, где сцепление невелико, вся энергия ультразвука идет практически на преодоление внешнего давления.

Для тяжелых вязких жидкостей интенсивность ультразвука, требуемая для кавитации, примерно в 2–4 раза больше, чем в легких жидкостях.

Таким образом, для каждой среды имеется определенный «порог», с которого при данном внешнем давлении в ней начинается кавитация.

Во время кавитации в местах образования полостей выделяется тепло и создаются большие давления. Процесс кавитации способствует выделению газов из жидкостей – дегазации.

Повышение температуры среды под воздействием проходящего через нее ультразвука объясняется выделением тепла в точках кавитации, поглощением звуковой энергии инородными включениями (растворенные газы) и потерями энергии на преодоление сил сцепления частиц. Нагревание за счет кавитации характеризуется высокой температурой в точках кавитационных полостей и слабым нагреванием всей среды в целом. Например, установлено, что в районе кавитационных полостей повышение температуры может доходить до 100 С, тогда как нагревание всей среды не превышает 0,3 С. Нагревание всей среды бывает особенно заметно, когда она неоднородна.

Ультразвуковые колебания способны размельчать частицы среды, перемешивать их и образовывать высокодисперсные эмульсии.

Это действие ультразвука объясняется тем, что в ультразвуковом поле на расстоянии полуволны создаются значительные разности давления и ускорения, во много раз превышающие земное ускорение. Огромные силы, возникающие при вибрациях частиц, способствуют их размельчению. Эмульсионное действие ультразвука связано также с кавитацией среды. Характер эмульсии зависит от частоты ультразвука: чем выше частота, тем тоньше и устойчивее эмульсия.

Химическое действие ультразвука также тесно связано с явлением кавитации среды. Пропускание ультразвука через вещества ускоряет ход ряда химических реакций. Обычно ускоряются реакции, идущие в присутствии Н2О2 и Н, и особенно окислительные реакции под воздействием атомарного кислорода. Ускорению хода реакций способствует также местное нагревание при кавитации. Под действием ультразвуковых колебаний происходит детонация дихлористого азота. Ультразвуковые колебания расщепляют белковые частицы.

Ультразвуковые колебания способны коагулировать различные гидро- и аэрозоли. Взвешенные частицы в жидкости или газе в результате столкновений под действием ультразвука, а также под действием сил притяжения укрупняются и оседают. Это явление называется коагуляцией.

Такое воздействие ультразвука имеет исключительно важное значение в технике для борьбы с дымом, пылью и др.

При распространении ультразвуковых волн конечных амплитуд в газах и жидкостях возникают акустические течения. Акустическое течение – это стационарный однонаправленный поток массы, образующийся как в свободных неоднородных полях в результате вязких потерь импульса волны, так и вблизи препятствий, помещенных в звуковое поле, или вблизи колеблющихся тел из-за инерционных потерь.

Акустические течения имеют вихревой характер. Эффективность воздействия акустических течений на технологические процессы определяется их скоростью и характерным масштабом. Скорость акустических потоков обычно значительно меньше колебательной скорости частиц в волне. Характерный масштаб L течений (или линейный масштаб вихря) соотносится с длиной звуковой волны l, в соответствии с чем рассматриваются три типа течений: крупномасштабные (L > l), среднемасштабные (L » l) и мелкомасштабные (L < l).

Акустические течения являются важным интенсифицирующим фактором в большинстве процессов, активируемых ультразвуком: дегазации жидких материалов, пайке, очистке, сушке, эмульгировании, горении, экстракции и т. д.

В ультразвуковом поле помимо переменного звукового давления возникают так называемые радиационные давления, которые воздействуют на излучающую, отражающую или поглощающую поверхности. Радиационное давление (давление звука) представляет собой средние по времени напряжения, возникающие в неоднородном звуковом поле, т. е. при наличии одностороннего излучения, поглощения или рассеивания звука. Радиационным давлением объясняется интенсифицирующее действие ультразвука на целый ряд технологических процессов: коагуляцию, дегазацию и т. д.

При распространении ультразвука конечных амплитуд в межфазной твердожидкостной системе возникает ультразвуковой капиллярный эффект, открытый белорусским академиком Е. Г. Коноваловым. Ультразвуковой капиллярный эффект представляет собой явление аномального возрастания глубины и скорости проникновения жидкости в капиллярные каналы под действием ультразвука. Этот эффект имеет интенсифицирующее действие в целом ряде процессов, включая биологию, медицину, обработку расплавов металлов, металлизацию, пропитку пористых материалов, механическое резание со смазочно-охлаждающими жидкостями и т. д.

Эффекты, связанные с действием ультразвука на среду, имеют нерезонансный характер (кавитация, нагревание, потоки), поэтому для решения многих технологических задач нет необходимости в точном подборе той или иной частоты ультразвука. Как и в килогерцевом, в мегагерцевом диапазоне в качестве источника ультразвуковых колебаний используют в основном резонансные электроакустические преобразователи, излучающие ультразвук практически одной частоты (относительная ширина полосы ~10 %).

Природа ультразвуковых эффектов качественно одинакова в широком диапазоне частот, и лишь существенные количественные различия приводят к появлению характерных особенностей, оправдывающих условное деление ультразвукового диапазона на низкочастотный и высокочастотный.

Воздействие ультразвука на гетерогенные процессы связано с возникновением в жидкости вихревых потоков и микропотоков. В результате взаимодействия с вязким пограничным слоем импульс ультразвуковой волны теряется вблизи от поверхности твердых тел. В соответствии с законом сохранения импульса в жидкости возникают вихревые потоки, характерный масштаб которых сравним по величине с толщиной пограничного слоя. Наличие регулярных течений разрушает диффузионный слой с пониженной концентрацией реагента, образующейся вблизи поверхности.

Мощные низкочастотные поля в жидких средах широко используют для мытья различных деталей, доильных аппаратов, хирургических и других инструментов. Их также применяют для дезинтеграции микроорганизмов и клеток в суспензии, ускорения процессов извлечения хрома из отходов кожевенного сырья, щелочной обработки соломы перед скармливанием и т. д.

1.5.2. Особенности активного воздействия Низкочастотные ультразвуковые колебания существенно уменьшают силы трения между cопряженными, взаимодействующими телами.

На этом свойстве основаны многие применения ультразвуков. Этот эффект используется при разделке мясопродуктов, а также в ультразвуковой хирургии. Применение ультразвукового скальпеля заметно снижает усилия резания, а вторичные эффекты – гемостатический, аналгетический, биостимулирующий – лишь повышают практическую ценность ультразвуковых хирургических инструментов.

Вызывая появление микротрещин на поверхности семян, ультразвук обеспечивает их предпосевную стимуляцию, приводящую к повышению урожайности растений. Возбужденные в газовой фазе мощные ультразвуковые колебания способны ускорить процессы сушки, образования лекарственных и других аэрозолей с заданными параметрами частиц и т. д.

Высокочастотный ультразвук используют для воздействия на вещество в тех случаях, когда требуется точно измерить силу воздействия: например, при ультразвуковом разрушении клеток, определении их резистентности, в физиотерапии для воздействия на ткани с целью получения лечебного эффекта, стимуляции ультразвуком биологических процессов в тканях и суспензиях клеток и т. д.

Ультразвуковое воздействие на биологические системы складывается из механического, теплового, химического и электрофизического факторов, эффективность каждого из которых зависит от параметров ультразвука, например от частоты и интенсивности.

Механические возмущения в ультразвуковом поле (переменные смещения, а также усилия, возникающие в градиенте колебательной скорости и в микротечениях) способны изменить вязкость цитоплазмы, нарушить градиенты концентраций различных веществ в непосредственной близости от клеточных мембран, обусловить десорбцию с их поверхности макромолекул, связанных слабыми взаимодействиями, вызвать структурные возмущения, сходные с элементарными регуляторными актами, и даже нарушить целостность клеточных мембран. Во всех случаях конечным результатом воздействия механических возмущений на клетку будет изменение условий транспортировки полярных и неполярных молекул, а также ионов через клеточную мембрану.

Следует отметить, что только в мегагерцевом диапазоне частот возможна локализация энергии ультразвука в сравнительно малом объеме за счет использования эффекта фокусирования.

Тепловые эффекты играют важную роль в механизме терапевтического действия ультразвука. Характерное распределение тепла, обусловленное различием в коэффициентах затухания ультразвука в разных тканях, невозможно воспроизвести другими воздействиями, приводящими к нагреванию тканей (теплопередача, ИК, УВЧ, СВЧ воздействия).

Увеличение частоты ультразвука при его воздействии на вещество повышает и роль тепловых эффектов. Коэффициент затухания ультразвука в среде пропорционален квадрату частоты, поэтому, выбирая частоту, можно изменять размеры области, в пределах которой энергия ультразвуковых колебаний полностью переходит в тепло, вызывая нагрев среды (например, биологических тканей). Следует отметить, что при большей интенсивности ультразвука возникают нелинейные эффекты, что ведет к резкому увеличению коэффициента затухания.

Наряду с тепловыми эффектами в ультразвуковом поле в биологических средах наблюдаются механические, электрические и физикохимические эффекты, сочетание которых обеспечивает уникальность ультразвука как физико-терапевтического фактора.

Активное воздействие ультразвуковой энергии высокой интенсивности (более 0,3·104 Вт/м2) вызывает в рабочей среде – жидкостях, газах, твердых материалах – ряд эффектов, на которые в последние десятилетия обращается большое внимание. Особый интерес вызвала возможность использования ультразвука в тех областях технологии, в которых требовалось ускорить одни процессы, улучшить качество других, решить проблемы, избавиться от которых с применением других видов энергии пока еще не удавалось.

Во всех процессах, интенсифицируемых под действием ультразвука, используются те или иные из описанных далее эффектов, возникающих при активном воздействии интенсивного ультразвукового поля на технологическую среду.

1. Генерирование и передача тепла. При распространении ультразвука в любой среде неизбежны потери энергии, связанные с ее преобразованием в тепло. Дополнительное тепловыделение оказывает влияние на различные процессы, происходящие в веществе.

2. Кавитация. Большая часть процессов в жидкостях сопровождается явлением ультразвуковой кавитации и возникновением акустических течений. Кавитация приводит к эрозии материалов, а в сочетании с другими эффектами обуславливает реализацию процессов диспергирования, гомогенизации, эмульгирования, интенсифицирует диффузию и ускоряет другие физико-химические процессы. На использовании кавитации основано множество процессов, применяемых в экологии, медицине, промышленности.

3. Акустические течения. Под акустическими течениями понимают стационарные вихревые микро- и макропотоки жидкости, возникающие в ультразвуковом поле. При колебании воздушного пузырька вблизи поверхности твердого тела создаются характерные микропотоки, воздействующие на физические явления, протекающие в жидкостях.

4. Химические эффекты. Ультразвуковая энергия влияет на химические реакции, ускоряя их (прежде всего оксидирование, полимеризацию, деполимеризацию, электрохимические и другие процессы).

5. Механические эффекты. Высокий уровень знакопеременных напряжений, создаваемых при ультразвуковых колебаниях в твердых телах, может приводить к развитию усталостных явлений и разрушению. Интенсивные колебания двух соприкасающихся поверхностей твердых тел приводят к генерации тепла, создают упругие деформации и вызывают другие эффекты, которые используются в ряде применений ультразвука, например в стоматологии. В жидкостях давления, создаваемые при захлопывании кавитационных пузырьков, вызывают интенсивную механическую эрозию поверхности материалов. На этих эффектах основана интенсификация ультразвуком процессов удаления с поверхности материалов различных нежелательных пленок и загрязнений, ускорения реакций, диспергирования, гомогенизации и др.

6. Диффузионные эффекты. Ультразвуковая энергия интенсифицирует и ускоряет процессы диффузии через стенки клеток, пористые мембраны и фильтры. Интенсивное перемешивание жидкости под действием кавитации и акустических течений приводит к тому, что эффективная толщина пограничного слоя на поверхности раздела «жидкость – твердое тело»

уменьшается, а скорость диффузии возрастает.

7. Эффект «вакуума». В фазе разрежения колеблющейся среды снижается температура кипения жидкости и интенсифицируется процесс проникновения влаги через поры и капилляры. В результате ускоряется сушка порошкообразных и пористых материалов при пониженной температуре.

8. Капиллярные эффекты. Эти эффекты способствуют ускоренному и более совершенному проникновению жидкостей в пористые и другие неоднородные материалы. Под действием ультразвуковой энергии значительно повышаются скорость и уровень подъема жидкости в тонких капиллярах.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

В БИОЛОГИИ

При воздействии ультразвука на биологические объекты частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями; при этом на расстояниях, равных половине длины звуковой волны, в облучаемой среде могут возникать разности давлений от нескольких единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия на структуру биологических объектов приводят к различным эффектам, физическая природа которых связана с действием сопутствующих распространению ультразвука в среде факторов: механического, теплового, а также физико-химического.

В зависимости от интенсивности ультразвука и длительности облучения ультразвук оказывает различное механическое воздействие на биологические объекты. Так, при малых интенсивностях (до 2–3 Вт/см2 на частотах порядка 105–106 Гц) колебания частиц биологической среды производят своеобразный микромассаж тканевых элементов, способствующий лучшему обмену веществ. Для организма человека и животных такое воздействие улучшает снабжение тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах кавитации, а следовательно, и к механическому разрушению клеток и тканей; кавитационными зародышами при этом служат всегда имеющиеся в биологических объектах газовые пузырьки.

При распространении ультразвука в биологических средах происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую.

Характерно, что образование тепла осуществляется не равномерно по всей толще тканей, а проявляется наиболее заметно на границах сред с различными волновыми сопротивлениями. Локальный нагрев тканей на доли или единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, так как процессам обмена веществ свойственна сильная температурная зависимость. Однако значительное повышение интенсивности ультразвука и увеличение длительности его воздействия могут привести к чрезмерному нагреву биологических структур и к их разрушению. Поэтому тепловой эффект наряду с кавитацией используют в качестве основных действующих факторов в ряде ультразвуковых хирургических операций.

Причиной изменений, возникающих в биологических объектах под действием ультразвука, могут быть также вторичные эффекты физикохимического характера. Так, благодаря образованию акустических потоков происходит энергичное перемешивание внутриклеточных микроскопических структур. Кавитация в среде приводит к разрыву молекулярных связей.

Например, молекулы воды распадаются на свободные радикалы ОН и Н, что является первопричиной действия ультразвука. Подобным же образом происходит расщепление под действием ультразвука высокомолекулярных соединений в биологических объектах (например, крахмала, нуклеиновых кислот, белковых веществ). Имеются данные, что ультразвук вызывает изменение рН в биологических тканях в щелочную или кислую сторону в зависимости от его интенсивности и продолжительности воздействия.

Изменение рН воспаленных тканей в щелочную сторону вызывает резкое уменьшение воспалительных явлений и боли. Ультразвук может повышать проницаемость клеточных оболочек и ускорять процессы обмена веществ путем диффузии, что играет большую роль при его терапевтическом применении.

Возможности применения ультразвука для воздействия на разнообразные биологические объекты – от простейших микроорганизмов и растительных клеток до сложных организмов – велики и многосторонни. Эффекты, достигаемые в результате облучения ультразвуком биологических объектов, обычно обусловлены совместным действием различных факторов, и не всегда ясно, какой из них играет первостепенную роль. Известно, что применение малых интенсивностей (до 2 Вт/см2) обычно вызывает положительные биологические эффекты. Так, в частности, при облучении ультразвуком семян ускоряется их прорастание и последующий рост растений. Применение сравнительно больших интенсивностей (3–10 Вт/см2) и длительное облучение, как правило, вызывают необратимые повреждения клеток и тканей, т. е.

приводят к отрицательным биологическим эффектам: способность семян к прорастанию падает и уменьшается скорость роста растений.

При превышении определенной пороговой интенсивности ультразвука, соответствующей возникновению в среде кавитации, происходит разрушение различных бактерий и вирусов; при этом имеет место прямая пропорциональность между интенсивностью ультразвука и разрушающим эффектом. Именно таким образом с помощью ультразвука разрушают тифозные и туберкулезные палочки, возбудитель коклюша, вирусы полиомиелита, энцефалита и бешенства, бактерии таких видов, как стафилококки, стрептококки и т. д. Ниже указанного порога не только не наступает разрушение жизнеспособных микроорганизмов, но при определенных условиях происходит увеличение их числа.

Ультразвук может использоваться для разрушающего воздействия на яйца, личинки и куколки некоторых насекомых, в частности комаров. При этом разрушающий эффект зависит не только от интенсивности и длительности облучения, но и от стадии развития насекомого: чем ниже стадия развития, тем больше сказывается разрушающий эффект. Установлено, что облучение малых живых организмов (рыб, лягушек) ультразвуком даже небольшой интенсивности (около 2 Вт/см2) приводит к параличу и последующей гибели животных. Причина этих явлений, по-видимому, состоит в том, что достаточно длительное ультразвуковое воздействие вызывает необратимые морфологические изменения в нервной системе животных.

Возможность вызывать с помощью ультразвука разнообразные полезные биологические эффекты в тканях организма человека широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии, без которых немыслима современная медицина. Достигнуты успехи и при попытках использования ультразвука в экспериментальной онкологии. В результате воздействия ультразвука определенной интенсивности и длительности на опухоли (саркомы, карциномы), искусственно привитые подопытным животным, рост опухолей существенно тормозился. Воздействие ультразвука на некоторые опухоли человека также приводит к гибели, по крайней мере, части облученных клеток. Однако облучение раковых опухолей человека пока еще не дало четко наблюдаемого положительного эффекта.

Ультразвук широко применяется в биологической и медицинской лабораторной практике, а также в фармакологии и фармации с целью диспергирования различных биологических структур, для относительно тонких воздействий на структуру клеток, для создания изменений в химизме крови, при стерилизации лекарственных веществ, для изготовления аэрозолей и т. п.

Пропускание ультразвука через вещества ускоряет ход ряда химических реакций. Обычно ускоряются реакции, идущие в присутствии Н2О и Н, и особенно окислительные реакции под воздействием атомарного кислорода. Ускорению хода ряда реакций способствует также местное нагревание при кавитации.

Под действием ультразвуковых колебаний происходит детонация дихлористого азота. Ультразвуковые колебания расщепляют белковые частицы.

К первой группе эффектов, характеризующихся изменением скорости реакции, относятся: ускорение гидролиза диметилсульфата, восстановление платинохлористоводородной кислоты с образованием каталитически высокоактивной металлической платины, разложение диазосоединений с образованием соответствующих ароматических углеводородов, ускорение эмульсионной полимеризации стирола, метакрилата и других непредельных соединений, ускорение некоторых каталитических реакций и т. д. Это ускорение обусловлено действием различных физикохимических эффектов, связанных с ультразвуковой дегазацией, диспергированием, эмульгированием, локальным нагреванием и др. Ко второй группе относятся все эффекты возникновения химических реакций под действием ультразвука, которые в большинстве случаев наблюдаются лишь после возникновения в жидкости кавитации. Химические превращения наблюдаются при интенсивности ультразвука от долей Вт/см2 до десятков или сотен Вт/см2 на частотах от 1 кГц до нескольких МГц. Так как эти частоты на много порядков меньше собственных частот колебаний молекул, химических изменений в системе вследствие резонансного поглощения ультразвука не наблюдается и варьирование частоты в указанном диапазоне мало сказывается на характере возникающих реакций.

Xимическое действие ультразвука при кавитации в ряде случаев можно отнести за счет образования на стенках кавитационной полости электрических микрозарядов и последующего электронного пробоя. Однако многие экспериментальные факты в рамках такого представления объяснить не удается. Наиболее оправданным является представление о тепловом механизме химического действия кавитации, так как при адиабатическом сжатии кавитационного пузырька температура в нем может достигать 104К. Это представление подтверждается экспериментальными данными.

Большинство химических превращений под действием ультразвука происходит в водных растворах. При высокой температуре молекулы воды внутри кавитационного пузырька переходят в возбужденное состояние и расщепляются на радикалы Н, ОН, а также, возможно, ионизируются с образованием гидратированных электронов е~я, т. е. электронов с присоединенными к ним нейтральными молекулами воды. Частично радикалы рекомбинируют, причем состав конечных радикальных и молекулярных продуктов разложения воды в ультразвуковом поле зависит от природы растворенного в воде газа. В присутствии инертных газов (Не, Nе, Аr, Кr, Хе) конечными продуктами являются Н, ОН, е~я, Н2, Н2О2. В атмосфере кислорода первоначально образовавшиеся радикалы Н и е~с с наибольшей скоростью реагируют с О2 и основными продуктами расщепления воды являются НО2, О; ОН и Н2О2; в атмосфере водорода разнообразие продуктов разложения воды наименьшее и образуются только Н, е.

Химические реакции, возникающие в жидкости при распространении ультразвука, можно подразделить на четыре типа:

1) окислительно-восстановительные реакции, протекающие в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами расщепления внутри кавитационного пузырька молекул растворителя (воды) и газов;

2) реакции между растворенными газами, водой и веществами с высокой упругостью пара, находящимися внутри кавитационного пузырька (например, образование;

3) цепные реакции в растворе, инициируемые радикалами, появляющимися в результате расщепления в кавитационной полости какоголибо вещества, помимо воды (например, стереоизомеризация малеиновой кислоты или ее эфиров в фумаровую, сенсибилизируемая атомами Вг, полученными при расщеплении в кавитационном пузырьке Вг2 или алкилбромидов);

4) звуко-химические реакции с участием макромолекул. Реакции этого типа, в отличие от предыдущих, могут инициироваться ультразвуком и в отсутствие кавитации, в случае механической деструкции первоначально присутствующих в системе молекул полимеров: под действием звукового поля происходит механический разрыв макромолекул, а полученные макрорадикалы способны инициировать полимеризацию.

На химические реакции затрачивается лишь часть поглощенной веществом энергии акустических колебаний. Для звуко-химических реакций, протекающих в растворах, отношение энергии, затраченной на расщепление молекул воды (химико-акустической энергии Еха), к общей поглощенной акустической энергии Е названой химико-акустическим КПД. При отсутствии в водном растворе веществ с высокой упругостью насыщенного пара внутри кавитационных пузырьков содержатся лишь пары воды и растворенный в ней газ; при этом энергия ультразвука затрачивается в любом водном растворе лишь на расщепление молекул воды зависит только от природы растворенного газа.

Основной энергетической характеристикой звуко-химических реакций является энергетический выход, который выражается числом молекул продуктов, образовавшихся при затрате 100 эВ химико-акустической энергии. Энергетический выход продуктов окислительно-восстановительных реакций обычно не превышает нескольких молекул на 100 эВ Еха, а для цепных реакций он достигает тысяч молекул на 100 эВ Еха.

Кинетика звуко-химических реакций определяется скоростью образования и расходования радикалов. Она имеет ряд особенностей: например, для некоторых реакций характерны эффекты последействия, т. е. реакции, возникшие под действием ультразвуковых волн, протекают в растворе в течение многих часов после отключения ультразвука; для реакций с участием макромолекул необходимо учитывать суперпозицию механодеструкции с реакциями радикалов, образующихся в режиме кавитации (при достаточной интенсивности ультразвука).

Особенностью звуко-химических реакций является импульсный характер образования радикалов вследствие синфазного захлопывания кавитационных пузырьков (по аналогии с импульсным характером звуколюминесценции). Температура внутри пузырька распределена неравномерно, с максимумом в его центре; соответственно и пространственное распределение радикалов имеет аналогичную форму (сферически симметричное гауссово распределение). Пузырек представляет собой автономную с точки зрения характера протекающих реакций систему – радикалы, образовавшиеся в соседних пузырьках, практически не взаимодействуют между собой. Минимальный радиус кавитационного пузырька (гт ^ 10~5 см) и первоначальное число радикалов в нем (~104–10е) на много порядков превышают как размеры локальных областей ионизации жидкости («шпор»), образующихся при распространении ионизирующих излучений, и количество радикалов в каждой из них (например, при действии у-лучей их не больше 10), так и число радикалов в «клетке» при фотолизе. Ультразвуковое воздействие по сравнению с фотолизом, ионизирующими излучениями, ударными волнами и другими физическими методами воздействия на вещество имеет следующие характерные особенности: первоначальное пространственное разделение радикалов и растворенного вещества, участие инертных газов в физико-химических процессах внутри кавитационного пузырька и двойственная роль химически активных газов, импульсный характер генерирования радикалов, концентрации энергии в центральной части кавитационного пузырька.

В большинстве биологических процессов в растворах, связанных с применением ультразвука, возникают различные химические реакции. Например, уже в простейшем случае воздействия ультразвука на воду, в которой растворен воздух, образуются и окислы азота, и перекись водорода.

Это обстоятельство следует учитывать при разработке и проведении различных процессов в применением ультразвука.

Таким образом, ультразвуковые колебания могут применятся для инициирования химических реакций, осуществления ряда новых методов синтеза и ускорения медленных реакций в системе. Несмотря на значительное разнообразие звуко-химических реакций, в настоящее время предпринимаются лишь первые шаги, направленные на их промышленное внедрение (например, для процессов полимеризации некоторых мономеров). Возможность возникновения звуко-химических реакций в животных и растительных клетках необходимо учитывать при применении ультразвука в биологии, медицине, фармакологии и других областях.

3. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

В МЕДИЦИНЕ

Ультразвук – это такой вид излучения, который, как и рентгеновские лучи, используется для визуализации в медицинской диагностике, поскольку имеет способность проникать внутрь тела человека и взаимодействовать с биотканью. Информация о структуре тела закодирована в прошедшем и рассеянном излучении, и задача системы визуализации состоит в расшифровке этой информации. В отличие от рентгеновских лучей ультразвуковые волны, подобно свету, преломляются и отражаются на границах раздела сред с различными акустическими показателями преломления. Эти эффекты могут быть достаточно заметными, что позволяет создавать фокусирующие системы. Однако, как будет показано далее, характерные соотношения между длиной волны и размерами фокусирующих элементов в этом случае таковы, что следует применять законы волновой (а не геометрической) оптики и учитывать явления дифракции и интерференции ультразвуковых волн.

С точки зрения выбора конкретного способа построения систем визуализации в зависимости от используемого вида излучения (ультразвук, световая волна, рентгеновское излучение) также имеются существенные различия. Ультразвуковые волны распространяются достаточно медленно, поэтому при характерных размерах органов в теле легко измерять соответствующее время распространения, что позволяет использовать для формирования акустических изображений эхо-импульсные методы. С другой стороны, скорость ультразвуковых волн достаточно велика для того, чтобы накопить и реконструировать всю информацию в виде полного кадра изображения за время 80 с. Иными словами, появляется возможность наблюдать в динамике движение внутренних органов (например, сокращающегося сердца). Эти возможности в сочетании с очень малым риском вредного воздействия при обследовании и экономичностью аппаратуры способствовали тому, что ультразвуковые методы заняли в диагностике главенствующее положение.

Диагностический эхометод основан на отражении ультразвука на границах между тканями с различными акустическими сопротивлениями.

Этот метод сходен с рентгенографией, однако изображения двух тканей на рентгеновском снимке отличаются друг от друга только в том случае, если их плотности различаются не менее чем на 10 %. Поэтому, например, для рентгеноскопии желудка пациенту вводят вещество с большой плотностью и атомной массой (BaSO4), которое и способствует получению контрастного изображения желудка на фоне других тканей. Что же касается ультразвука, то он позволяет дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности всего на 0,1 %. Кроме того, ультразвук низких интенсивностей практически безвреден для живых существ, чего нельзя сказать о рентгеновском излучении, а ультразвуковая ультразвуковой частоты, поступающие на пьезокристалл, от которого в тканях распространяются ультразвуковые волны. Если Рис. 3.1. Схема ультразвукового меучасток с отличным от окрутода прижизненного определения толщины жирового слоя: 1 – мышечгранице между жировым слоем и ная ткань; 2 – жировая ткань;

3 – усилитель; 4 – регистрирующее мышечной тканью) акустическим устройство; 5 – пьезокристалл; сопротивлением, то волна отраконтактная смазка жается и попадает на приемник и затем – на регистрирующее устройство (например, на дисплей). После визуальной обработки постоянно поступающих отраженных сигналов на экране дисплея формируется изображение исследуемого органа.

Как и любая волна, ультразвук испытывает дифракцию на объектах, размеры которых сравнимы с длиной волны. Так, если скорость ультразвука 1500 м/с, а его частота 30 кГц, то длина волны ультразвука l = 5 см.

Следовательно, ультразвук такой частоты не сможет дать четкого изображения интересующих исследователя участков ткани размером менее 5 см, что при диагностике часто бывает далеко недостаточно. Для повышения разрешающей способности ультразвуковой диагностики необходимо уменьшать длину волны, а следовательно, повышать частоту ультразвука.

Поэтому в ультразвуковой диагностике используют генераторы, дающие частоты 1–10 МГц. Но поскольку с повышением частоты возрастает поглощение звука, это приводит к необходимости увеличивать интенсивность ультразвука, что не всегда желательно. Обычно применяют ультразвуковые колебания с интенсивностью, не превышающей 0,1 Вт/с.

Исследование ультразвуком внутренних органов применяют в настоящее время достаточно широко и в медицине, и в ветеринарии. Эхография позволяет получать изображения внутренних стенок сердца у животного, обнаруживать злокачественные опухоли на ранней стадии их развития, проводить диагностику некоторых глазных болезней, прижизненно определять толщину жирового слоя у свиней и т. п.

Особенно широкое применение начинает получать эхометод, основанный на эффекте Доплера, позволяющий изучить не только расположение тех или иных участков тканей, но и физиологические процессы в их динамике.

Эффект Доплера заключается в изменении частоты принимаемого звукового сигнала при движении относительно среды источника, или приемника звука, или тела, рассеивающего звук. В данном случае при движении источника звука эффект обусловлен изменением длины волны в среде, при движении приемника – изменением скорости звука в системе координат, связанной с приемником; при рассеянии движущимся телом – обоими факторами.

Использование эффекта Доплера позволяет определять ряд параметров кровотока в сосудистой системе. Пусть датчик, в котором находятся источник и приемник ультразвука, приведен в акустический контакт с кожей органа человека или животного, через которую ультразвук проходит в глубь ткани и пересекает кровеносный сосуд под углом j (рис. 3.2).

Если ультразвук отражается от статических объектов, которые встречаются на пути его от источника до сосуда, то частота звука не меняется и остается равной v0. Отражение ультразвука от пульсирующих стенок сосуда и взвешенных в плазме, движущихся вместе с ней форменных элементов крови (в основном от эритроцитов, акустическое сопротивление которых значительно отличается от акустического сопротивления плазмы крови) сопровождается эффектом Доплера. Поскольку скорость пульсации стенок сосуда значительно меньше скорости движения эритроцитов, то VДС (доплеровская частота от сосудов) значительно меньше, чем VДЭ (доплеровская частота от эритроцитов), и сигналы эти поддаются разделению, хотя интенсивность сигнала от стенок примерно в 30 раз больше интенсивности сигнала от эритроцитов, так как поверхность раздела между стенкой сосуда и плазмой значительно больше поверхности раздела между эритроцитом и плазмой.

Зная доплеровскую частоту, можно по формуле вычислить скорость движения эритроцитов, а следовательно, и скорость кровотока. Так как скорость крови неодинакова по сечению сосуда, то на выходе прибора получается спектр доплеровских частот, соответствующих различным скоростям потока.

Отраженный сигнал попадает на приемник, в котором возникают электрические колебания с частотой v0 + vДС + vДЭ, которые принимает электронная схема Э. В схему надают также колебания с частотой v0, в результате чего возникают биения, модулированные частотами vДС и vДЭ. Эти колебания попадают в демодулятор, который выделяет сигналы с доплеровской частотой. Затем сигналы проходят через фильтр Ф, выделяющий интересующую исследователя частоту vДЭ, и попадают в преобразователь П. Принцип его работы заключается в том, что при попадании в него переменного напряжения он дает электрический импульс на выходе Рис. 3.2. Схема получения доплеровтолько тогда, когда значение этоского сигнала от эритроцита, двиго напряжения проходит через нуль. Таким образом, преобразо- УЗГ – генератор электрических колеватель превращает сигнал допле- баний ультразвуковой частоты;

ровской частоты в такой сигнал, И – излучатель ультразвука; П – принапряжение которого пропор- емник ультразвука; Э – электронная ционально скорости потока кро- схема, в которой возникают биения, гистрирующее устройство (осФ – фильтр, выделяющий доплеровциллограф, самописец и др.) нии ультразвуком участка ткани, смазка; 3 – поверхность органа;

действием облучения, которое продолжается в течение нескольких минут, ткань нагревается. Так, при облучении руки в течение 100 с ультразвуком с частотой 8 МГц и интенсивностью 0,1 Вт/см2 наблюдается локальное повышение температуры до 1 С. Хотя это повышение температуры невелико и неопасно, оно, тем не менее, может приводить к расширению кровеносных сосудов в месте облучения и, таким образом, давать необъективные данные о физиологических процессах в этом месте. Поэтому более перспективным является импульсный доплеровский метод.

В датчике находится один кристалл, который попеременно является то источником, то приемником отраженного ультразвука. Длительность импульса ~ 1 мкс с промежутком между импульсами ~ 1 мс. Помимо того, что нагрев ткани при таком облучении становится почти незаметным, импульсный метод позволяет по времени между испусканием импульса и приемом его отраженного сигнала определить расстояние до отражающего объекта (эхолокация). Таким образом, по доплеровским сигналам, образованным внешней и внутренней стенками сосуда, можно определить диаметр сосуда, а по сигналам от эритроцитов узнать, на каком расстоянии от стенки сосуда находятся эритроциты, обладающие той или иной скоростью. Это позволяет изучать динамику потока крови в различных участках сечения сосуда.

Еще больше информации могут давать многоканальные системы, регистрирующие распределение величин скорости по сечению сосуда в дискретные временные промежутки в течение одного сердечного цикла.

К недостаткам импульсного метода можно отнести большую по сравнению с непрерывным методом сложность электронной схемы. Оба метода позволяют сравнительно легко определять относительные значения скоростей при распределении их вдоль сосуда и по его сечению. Определение абсолютных значений скоростей осложняется тем, что для их вычисления по формуле необходимо знать угол между направлением пучка ультразвука и осью сосуда. Тем не менее эту трудность можно преодолеть с помощью способа, показанного на рис.3.3.

Пусть к исследуемому телу приложены два датчика под углом a друг к другу, которые можно подключать к ультразвуковому генератору по очереди. Отраженные сигналы регистрируют одним и тем же устройством (см. рис. 3.3).

Включая попеременно то один, то другой излучатели, можно определить расстояния АА1 и ВВ1 и затем вычислить значение угла j по формуле Рис. 3.3. Схема определения абсолютных значений скоростей эритроцитов в сосуде: УЗГ – генератор электрических колебаний; И1 и И2 – излучатели ультразвука, расположенные в датчике под углом a друг к другу; Р – регистрирующее устройство; А и А1, В и В1 – точки пересечения ультразвуковых пучков со стенками сосуда; j – угол между ультразвуковым пучком от источника И2 и осью сосуда;

1 – датчик; 2 – поверхность органа; 3 – контактная смазка; 4 – сосуд Результаты исследований таким способом потока крови в сонной артерии приведены в табл. 3.1.

Результаты ультразвуковых исследований сонной артерии Максимальное значение скорости крови, усредненное по сечению сосуда (максимальное мгновенное значение) Дальнейшее усовершенствование метода позволило определять не только величины скоростей, но и направление кровотока. Блок-схема соответствующего устройства показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Блок-схема установки для определения кровотока: УЗГ – генератор электрических колебаний с частотой v0; Д – датчик, от которого в схему поступают колебания, модулированные частотами ± vД; Ф1 и Ф2 – высокочастотные фильтры;

М1 и М2 – модуляторы, в которых колебания моделируют частотой vД;

НФ1 и НФ2 – низкочастотные фильтры, выделяющие из модулированных колебаний с частотами vД; П1 и П2 – преобразователи; Р1 и Р2 – регистрирующие приборы Электрические колебания с частотами v0 + vД,пр и v0 – vд, обр, где vд пр.

и vд.обр. – доплеровские частоты, соответствующие прямому и обратному направлениям движения эритроцитов в потоке крови, поступают в электронную схему. Сначала они попадают в высокочастотные фильтры Ф, пропускающие колебания только с частотами v0 + vдпр или v0 – vд,обр. Затем их модулируют частотой v0, и после низкочастотного фильтра НФ остаются колебания с частотами vд пр или vд обр. После прохождения сигналов через преобразователи П на регистрирующие приборы попадает напряжение, амплитуда которого пропорциональна доплеровской частоте, причем прямому потоку соответствует положительное напряжение на регистрирующем приборе, а обратному Рис. 3.5. Распределение векторов скоростей кровотока по сечению сосуда: артериях существует проа – при отсутствии противотока; тивоток венозной крови.

б – при наличии противотока При нормальном кровотоке, как и при течении любой вязкости жидкости в трубе, концы векторов скорости расположены по параболической поверхности (рис. 3.5, а). В случае противотока поверхность векторного поля имеет более сложную форму (рис. 3.5, б).

Исследование захода венозной крови в артерии имеет исключительно важное значение для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.

Как и всякий метод, метод Доплера имеет свои недостатки и ограничения. На его точности сказываются доплеровские сигналы, возникающие при механических движениях и вибрациях стенок сосудов, сигналы от двух близко расположенных сосудов, быстрые изменения скорости кровотока и некоторые другие причины. В частности, следует учитывать, что ультразвуковой пучок не всегда проходит через все сечение сосуда. В этом случае объемный расход усредняется не по сечению, а по диаметру сосуда, что приводит иногда к завышенному до 30 % значению скорости. Точность определения толщины стенок сосудов имеет порядок до 1 мм, что, например, для сосуда толщиной 8 мм составляет 25 %. Точность повышается при использовании импульсного метода, так как там угол j меньше, чем в непрерывном доплеровском методе.

Эти ограничения приводят к тому, что в настоящее время скорость кровотока вычисляют пока только для больших артерий. Тем не менее с каждым годом появляются новые методы и устройства, сводящие к минимуму перечисленные погрешности. В частности, совершенствуются методы регистрации и отображения результатов ультразвуковых исследований.

Широко применяются для этих целей в настоящее время видеомониторы.

Существуют три вида записи: А-, В- и М-типы. А-тип основан на амплитудной модуляции сигналов, приходящих с разных глубин с разностью во времени; В-тип – на том, что сигналы с разной интенсивностью создают изображение на экране, яркость которого пропорциональна интенсивности сигнала; М-тип представляет собой вертикальную развертку горизонтального изображения В-типа, в результате чего получается двумерное изображение отраженного сигнала.

Особенно интересен и перспективен метод ультразвуковой артериографии, позволяющий получать двумерное изображение кровотока.

Доплеровский датчик закрепляют на рычаге, который можно вручную или с помощью особого устройства перемещать вдоль кровеносного сосуда, одновременно двигая его в плоскости, перпендикулярной оси сосуда (сканирование).

Артериограмма не только показывает форму сосуда, его разветвления и пр., но по яркости сканирующих линий можно судить о скорости кровотока в данном месте. Можно легко увидеть места стенозов, поскольку в этих областях скорость кровотока увеличивается и доплеровские частоты возрастают. Хорошо видны на артериограммах места закупорки сосудов. Отложение кальция на стенках сосуда препятствует прохождению ультразвука и ухудшает артериограмму.

Исследования кровотока доплеровским методом применяют в настоящее время с самыми различными целями в физиологии, медицине и ветеринарии. Так, имплантированные на различные отделы аорты и на сонной артерии у некоторых животных ультразвуковые датчики позволили изучать изменения величины кровотока при гипокинезии, физических нагрузках и других отклонениях от нормальной деятельности животного. Аналогичным образом можно изучать мозговую гемодинамику и изменения кровотока при инсультах, что позволяет делать ряд диагностических выводов.

Клинические исследования показали, что максимальная частота доплеровского сигнала за время сердечного цикла является надежным параметром для определения начала артериальных заболеваний. Был разработан аналоговый метод для определения только этого параметра.

Доплеровский метод позволяет клиницисту аускультировать периферические артерии, измерять систолическое давление в покое и при физической нагрузке, выявлять форму пульсовой волны и многое другое.

Большой интерес вызывает применение метода Доплера в диагностике злокачественных заболеваний. Известно, например, что рост злокачественных новообразований молочной железы зависит от кровообращения в данном месте. Без соответствующего кровоснабжения карцинома может вырасти до размеров 2–3 мм и остановиться в росте. При росте опухоли артериолы из окружающих кровеносных сосудов как бы «ввинчиваются» в это место, количество сосудов растет, диаметр артериол увеличивается до трех раз, размеры капилляров также возрастают, они становятся тонкостенными, что приводит к их разрывам с последующими некрозами.

Увеличение количества артериол и их диаметра в данном месте молочной железы и, соответственно, кровотока легко можно регистрировать доплеровским методом.

Оказалось возможным подобрать параметр, характеризующий рост злокачественного новообразования. Таким параметром может служить величина М = А + В/2, где А – максимальная систолическая доплеровская частота, а В – максимальная частота в конце диастолы. Величина М чаще всего является пропорциональной объему опухоли. При эндокринной терапии было замечено, что М уменьшается. Этот метод имеет значительные преимущества перед радиографией (быстрота, отсутствие ионизирующих излучений).