73 Ультразвуковое излучение
Механические волны, у которой частота колебаний превышает20000 Гц, называется ультразвуковым излучением. За последние годы это излучение нашло широкое распространение в медицине для диагностики патологических состояний и для лечения заболеваний. Использование ультразвуковых волн основано на его физических свойствах и механизмах взаимодействия с веществом. Рассмотрим способы получения ультразвуковых излучений, их физические свойства, механизмы взаимодействия с живым организмом и биофизические принципы, которые определяют его практическое использование в медицине.
Источники ультразвуковых колебаний
Получение ультразвука основано на двух физических явлениях пьезоэффекте и магнитострикции. Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект зак-
Рис. 60 волны (рис. 60).
Как известно, интенсивность механических волн определяется частотой, амплитудой колебания молекул и механическим импедансом среды I =(Z Х2)/2. Поэтому получение мощных ультразвуковых излучений требует достаточно больших смещений поверхности пьезокристалла и молекул среды. С помощью обратного пьезоэффекта не удается получить высокоинтенсивное излучение, поскольку пьезокристаллы обладают высокой хрупкостью и малой прочностью. С увеличением амплитуды приложенного напряжения изменение толщины кристалла h достигает такой выраженности, что он разрушается. Более мощный ультразвук получают в результате использования магнитострикции. Этот феномен основан на способности ферромагнитных тел изменять свои геометрические размеры в магнитных полях. Если стержень из такого ферромагнитного материала поместить в соленоид (см. рис. 57) и приложить к его об
С помощью явления магнитострикции можно получать значительно более интенсивное ультразвуковое излучение по сравнению с пьезоэффектом, поскольку ферромагнитный стержень обладает существенно большей прочностью.
Рис. 60 Как уже отмечалось, ультразвук имеет довольно высокую частоту и, следовательно, малую длину волны. Так например, для наиболее распространенных в физиотерапии ультразвуковых генераторах УЗТ-101 частота равна 880 кГц, т.е. 880000 Гц. Поэтому длина ультразвуковой волны при распространении в воздухе составляет:
= С : f = 330 : 880000 = 0,000375 м = 0,375 мм.
Здесь С - скорость распространения механических волн в воздухе, f - частота ультразвука. Такая малая длина волны определяет особенности ее распространения в среде. Из физики известно , что явление дифракции зависит от длины волны: чем больше длина, тем сильнее дифрагируют волны. Следовательно ультразвук должен слабо дифрагировать при распространении в однородных средах и его можно собирать в виде достаточно узких направленных ультразвуковых пучков.
Рис. 61 принцип работы такого концентратора. Ультразвуковое излучение, генерируемое с помощью магнитострикции, поступает в концентратор, изготовленный из материала с высокой прочностью и плотностью (наиболее часто используются металлы). При распространении излучения оно достигает границы раздела и полностью отражается, поскольку механический импеданс материала концентратора значительно больше импеданса среды. Интенсивность ультразвука, поступающего через поверхность S1 в единицу времени можно выразить в виде: I1 = E/(S1 t), где t длительность излучения, а Е = I1 S1 t - энергия, которую генерирует излучатель. Если пренебречь потерями энергии в концентраторе, то и через поверхность S2 в единицу времени в среду поступает такая же энергия: Е = I2 S2 t = I1 S1 t
Откуда следует вывод: I2 = I1 S1 /S2. Поскольку S1 >> S2, в концентраторе происходит не только формирование узкого пучка, но и увеличение интенсивности излучения.