✅Поглинання ультразвуку в речовині. Акустичні течії і кавітація

За фізичною сутністю УЗ не відрізняється від звуку і являє собою механічну хвилю. При її поширенні утворюються ділянки згущення і розрядження частинок середовища, які чергуються.

Швидкість поширення УЗ і звуку в середовищах однакові (в повітрі ~340 м/с, у воді і м’яких тканинах ~1500 м/с). Однак висока інтенсивність і мала довжина УЗ-хвиль породжують ряд специфічних особливостей.

При поширенні УЗ в речовині відбувається незворотний перехід енергії звукової хвилі в інші види енергії, в основному в теплоту. Це явище називається поглинанням звуку. Зменшення амплітуди коливання частинок та інтенсивності УЗ внаслідок поглинання має експонентний характер.

Коефіцієнт поглинання – зворотна величина тієї відстані, на якій амплітуда звукової хвилі спадає в «е» раз.

Чим більше коефіцієнт поглинання, тим сильніше середу поглинає ультразвук.

Коефіцієнт поглинання (α) зростає при збільшенні частоти УЗ. Тому затухання УЗ в середовищі у багато разів вище, ніж загасання чутного звуку.

Поряд з коефіцієнтом поглинання, в якості характеристики поглинання УЗ використовують і глибину напівпоглинання (Н), яка пов’язана з ним зворотною залежністю (Н = 0,347 / α).

Глибина полупоглощенія (Н) – це глибина, на якій інтенсивність УЗ-хвилі зменшується вдвічі.

У газах і, зокрема, в повітрі ультразвук поширюється з великим загасанням. Рідини і тверді тіла (особливо монокристали) є, як правило, хорошими провідниками ультразвуку, і затухання в них значно менше. Так, наприклад, у воді загасання УЗ за інших рівних умов приблизно в 1000 разів менше, ніж у повітрі. Тому галузі використання УСЧ і УЗВЧ відносяться майже виключно до рідин і твердих тіл, а в повітрі і газах застосовують тільки УНЧ.

Виділення теплоти і хімічні реакції

Поглинання ультразвуку речовиною супроводжується переходом механічної енергії у внутрішню енергію речовини, що веде до його нагрівання. Найбільш інтенсивне нагрівання відбувається в областях, прилеглих до кордонів розділу середовищ, коли коефіцієнт відбиття близький до одиниці (100%).

Це пов’язано з тим, що в результаті відображення інтенсивність хвилі поблизу кордону збільшується і відповідно зростає кількість поглиненої енергії. У цьому можна переконатися експериментально. Треба прикласти до вологої рукивипромінювач УЗ. Незабаром на протилежній стороні долоні виникає відчуття (схоже на біль від опіку), викликане УЗ, відбитим від кордону «шкіра-повітря».

Тканини зі складною структурою (легені) більш чутливі до нагрівання ультразвуком, ніж однорідні тканини (печінка).

Порівняно багато тепла виділяється на кордоні м’яких тканин і кістки.

Локальний нагрів тканин на долі градусів сприяє життєдіяльності біологічних об’єктів, підвищує інтенсивність процесів обміну. Однак тривалий вплив може призвести до перегріву.

У деяких випадках використовують сфокусований ультразвук для локального впливу на окремі структури організму. Такий вплив дозволяє домогтися контрольованої гіпертермії, тобто нагрівання до 41-44°С без перегріву сусідніх тканин.

Підвищення температури і великі перепади тиску, якими супроводжується проходження ультразвуку, можуть призводити до утворення іонів і радикалів, здатних вступати у взаємодію з молекулами.

При цьому можуть протікати такі хімічні реакції, які у звичайних умовах нездійсненні. Хімічна дія УЗ проявляється, зокрема, у розщепленні молекули води на радикали Н+ та ОН з подальшим утворенням перекису водню Н2О2.

Акустичні течії і кавітація

Ультразвукові хвилі великої інтенсивності супроводжуються низкою специфічних ефектів. Так, поширенню ультразвукових хвиль в газах і в рідинах супроводить рух середовища, яке називають акустичним перебігом.

На частотах діапазону УСЧ в ультразвуковому полі з інтенсивністю в кілька Вт/см2 може виникнути фонтанування рідини і розпорошення її з утворенням вельми дрібнодисперсного туману.

Ця особливість поширення УЗ використовується в ультразвукових інгаляторах. До числа важливих явищ, що виникають при поширенні інтенсивного ультразвуку в рідинах, відноситься акустична кавітація – зростання в ультразвуковому полі бульбашок з наявних субмікроскопічних зародків газу або пари в рідинах до розмірів в долі мм, які починають пульсувати з частотою УЗ і закриваються в позитивній фазі тиску.

При схлопуванні бульбашок газу виникає великий локальний тиск порядку тисяч атмосфер, утворюються сферичні ударні хвилі. Таке інтенсивне механічний вплив на частинки, що містяться в рідині, може призводити до різноманітних ефектів, у тому числі і руйнуючим, навіть без впливу теплової дії ультразвуку.

Механічні ефекти особливо значні при дії фокусування ультразвуку.

Ще одним наслідком схлопування кавітаційних пухирців є сильний розігрів їх вмісту (до температури близько 10 000°С), що супроводжується іонізацією і дисоціацією молекул.

Явище кавітації супроводжується ерозією робочих поверхонь випромінювачів, пошкодженням клітин і т.п. Однак це явище призводить і до ряду корисних ефектів. Так, наприклад, в області кавітації відбувається посилене перемішування речовини, що використовується для приготування емульсій.

Посилання на основну публікацію