Ультразвуковое поле. 
Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии

Решение ряда задач, связанных с практическим применением ультразвука, невозможно без знания характера акустического поля, т. е. распределения в пространстве звукового давления или интенсивности.

Известно, например, что скорость разрушения клеток крови в суспензии под действием ультразвука зависит от его интенсивности. Однако даже плоский излучатель, используемый в установке для определения скорости ультразвукового цитолизиса, дает весьма неоднородное поле.

В медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии нашел широкое применение плоский высокочастотный излучатель. Для практических целей можно принять, что амплитуда колебаний на его поверхности всюду постоянна, а диаметр D намного больше длины ультразвуковой волны. Идеализированная форма звукового поля этого излучателя представлена на рис. 1.3.

Вблизи поверхности плоского высокочастотного излучателя ультразвуковое поле сосредоточено в цилиндрическом объеме диаметром D и длиной Zo.

Рис. 1.3. Идеализированное поле плоского акустического излучателя.

Начиная с расстояния Zo = D/4Х, поле конусообразно расширяется. Интервал от излучателя до Zo называется ближней зоной, или зоной Френеля. Область, где Z> Zq, называется дальней зоной, или зоной Фраунгофера. В этой зоне амплитуда давления падает пропорционально расстоянию от излучателя. Угол, а между направлением распространения ультразвуковой волны и образующей пучка определяется условием.

Для круглой пластинки А = 1,22, D — диаметр круга; для квадратной пластинки А = 1, D — сторона квадрата.

Распространено представление о плоском характере волны в ближней зоне. В действительности поле в этой зоне имеет весьма сложный характер, что объясняется наложением волн, излучаемых отдельными участками поверхности излучателя. Анализ показывает, что интенсивность ультразвука в ближней зоне периодически меняется в интервале от излучателя до Zo (рис. 1.4). Последний максимум находится на расстоянии Zo. Далее амплитуда звукового давления монотонно уменьшается.

Распределение интенсивности ультразвука в поперечном к оси сечении также неоднородно и зависит от расстояния до излучателя.

В ближней зоне, при Z Zo, интенсивность имеет один максимум и монотонно падает по мере удаления от оси пучка.

Эти зависимости легко проверить, измеряя, например, распределение интенсивности вдоль диаметра плоского круглого излучателя, излучающего ультразвук в воду или другую жидкость.

Следует отметить, что распределение интенсивностей в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения ультразвуковых волн, будет меняться в зависимости от расстояния до излучателя, однако характер этого распределения сохранится, по крайней мере, на расстояниях, сравнимых с диаметром излучающей поверхности.

Рис. 1.4. Изменение интенсивности колебаний в упругой волне в зависимости от расстояния до излучателя.

Рис. 1.5. Метод регистрации распределения интенсивности ультразвука вдоль диаметра высокочастотного излучателя: а — схема регистрации (1 — излучатель ультразвука: 2 — кювета с жидкостью; 3 — ультразвуковой зонд; 4 — координатное устройство; 5 — чувствительный элемент зонда — дифференциальная термопара, один из спаев которой сенсибилизирован эпоксидной смолой); б — распределение интенсивности для плоского излучателя.

Для оценки распределения интенсивностей в ультразвуковом поле удобно воспользоваться любым точечным приемником ультразвука и простым координатным устройством из двух взаимно перпендикулярных линеек (рис. 1.5, а). Площадь под экспериментальной кривой на приведенном рисунке пропорциональна энергии ультразвука. Средняя интенсивность соответствует высоте прямоугольника, построенного на том же основании, что и экспериментальная кривая, и имеющего площадь, ограниченную экспериментальной кривой (рис. 1.5, б).

Более точные измерения распределения интенсивностей позволяют выявить также и добавочные максимумы (лепестки) интенсивности. Зависит распределение интенсивностей в поле и от соотношения размеров излучателя с длиной волны излучаемого ультразвука, и от свойств самого излучающего элемента, и от способа его крепления в излучателе.

Таким образом, даже в идеальных условиях, поле в ближней зоне излучателя весьма неоднородно, и максимальные значения интенсивности могут в 3−4 раза отличаться от средних значений. Это следует учитывать при определении порогов физико-химического и биологического действия ультразвука.

Следует отметить, что далеко не все исследователи учитывают особенности распределения интенсивностей в поле используемых ими ультразвуковых излучателей и это может быть одной из причин расхождения в полученных ими результатах.