6. Отражение и поглощение акустических волн

Проходя границу раздела двух сред, акустические волны претерпевают отражение и преломление по законам, аналогичным законам отражения и преломления света (рис.6). Коэффициент отражения( R ) определяется отношением интенсивности отраженной акустической волны (I_отр) к интенсивности волны, падающей на границу раздела (I_пад): R =I_отр/I_пад. Его величина зависит от соотношения плотностей сред (₁ и₂) и скоростей распространения акустических волн в этих средах (v₁иv₂) . Произведение плотности среды на скорость распространения в ней акустических волн называютудельным акустическим импедансомили волновым сопротивлением: Z = v .

Так как v=( см. формулу (1)) , то Z =.

При нормальном падении:

R = или R =. (5)

Из формулы (5) видно, что чем больше отличаются акустические импедансы сред, тем выше коэффициент отражения. Так, например, на границе раздела воздух-вода отражается свыше 99% энергии акустической волны и лишь весьма малая часть ее проникает в воду при падении из воздуха. Отражение на границах раздела различных биологических тканей существенно меньше. В частности, при прохождении ультразвуковой волны из мышцы в кость коэффициент отражения составляет 30-40%. Очевидно, что коэффициент проникновения= 1 - R.

Итак, при падении акустических волн с интенсивностью I_падна границу раздела двух сред возникают отраженные волны с интенсивностьюI_отр= RI_пади волны, входящие во вторую среду, с интенсивностьюI_вх=I_пад.

При распространении акустических волн в среде происходит их поглощение и рассеяние, причем, убыль интенсивности волны с увеличением проходимого в среде расстояния подчиняется экспоненциальному закону:

I_пр=I_вхe^-кх, (6)

где I_пр- интенсивность волны после прохождения в среде расстояниях,к- показатель ослабления, зависящий от свойств среды и частоты волны. Графически эта зависимость представлена на рис.7.

Поглощение акустических волн в среде сильно зависит от их частоты. С увеличением частоты  коэффициенткв формуле (6) увеличивается –высокочастотные акустические волны поглощаются существенно сильнее, чем низкочастотные.

7. Ультразвук и его медицинское применение

Механические волны, частоты которых заключены в диапазоне от 20 кГц до 10⁹ - 10¹⁰ Гц, называют ультразвуком.

7.1. Получение ультразвука

Наиболее распространенным способом получения ультразвука является использование обратного пьезоэффекта.Для его понимания напомним, чтопрямой пьезоэффектсостоит в возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых анизотропных кристаллических тел под действием механического сжатия или растяжения. Представим пластинку из анизотропного вещества (например, кристаллического кварца), вырезанную определенным образом по отношению к направлению кристаллических осей (рис.8). Оказывается, что при сдавливании пластинки под давлением Р на ее поверхности возникают электрические заряды. При изменении направления усилия (пластинку не сжимают, а наоборот - растягивают), знаки зарядов изменяются на противоположные.

Отметим, что прямой пьезоэффект широко используется в медицинской аппаратуре. На его основе создаются измерительные преобразователи (датчики), позволяющие по регистрируемым электрическим сигналам измерять давление, вибрации, звуковые явления и др. Этот эффект используется и в приемниках ультразвука.

Пьезоэффект обратим. Если на упомянутую пластинку воздействовать переменным электрическим полем, создаваемым некоторым генератором (рис.9), то возникают механические деформации пластинки - она сжимается и растягивается с частотой действующего электрического поля - возникаетобратный пьезоэффект (электрострикция). Частоту электромагнитных колебаний легко изменять, варьируя индуктивность и емкость колебательного контура генератора. Используя частоты электромагнитных колебаний в пределах от 20 кГц до 10⁹Гц можно с помощью обратного пьезоэффекта получать механические колебания ультразвукового диапазона.

Для получения ультразвука может быть использован так же эффект, называемый магнитострикцией- возникновение механической деформации тел под действием магнитного поля.