ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.11.2019
Просмотров: 7008
Скачиваний: 16
16
Объемная
плотность
энергии
:
3
м
Вт
V
E
w
–
количество
энергии
,
приходящееся
на
единицу
объема
среды
,
в
которой
происходит
перенос
энергии
.
Интенсивность
:
2
1
м
Вт
dt
dE
S
S
I
–
отношение
потока
энергии
,
нормально
проходящего
через
площадь
,
к
этой
площади
.
Эти
величины
связаны
следующими
соотношениями
:
wSv
,
wv
S
I
/
,
v
w
I
.
Вектор
v
w
I
,
показывающий
направление
распространения
энергии
в
среде
,
называется
вектором
Умова
.
Для
упругих
волн
этот
вектор
может
быть
вычислен
по
формуле
:
v
A
I
2
2
2
.
17
УЛЬТРАЗВУК
И
ИНФРАЗВУК
1.
Получение
ультразвука
(
излучатели
и
приемники
УЗ
)
Механические
волны
с
частотой
выше
20
кГц
называются
ультразвуковыми
.
Диапазон
ультразвуковых
колебаний
простирается
до
10
9
Гц
.
Для
получения
ультразвука
используются
электромеханические
УЗ
излучатели
.
Принцип
действия
таких
излучателей
основан
на
явлении
обратного
пьезоэлектрического
эффекта
(
электрострикции
),
сущность
которого
заключается
в
механической
деформации
тел
под
действием
электрического
поля
.
УЗ
излучатель
(
рисунок
7)
состоит
из
пластины
(1),
выполненной
из
веществ
с
хорошо
выраженными
пьезоэлектрическими
свойствами
(
кварц
,
сегнетова
соль
и
т
.
д
.),
электродов
(2)
и
генератора
переменного
электрического
напряжения
(3).
Рисунок
7.
Ультразвуковой
излучатель
При
подаче
на
электроды
переменного
напряжения
от
генератора
пластина
начнет
деформироваться
.
Величина
деформации
пропорциональна
приложенному
напряжению
.
Возникают
вынужденные
колебания
,
частота
которых
соответствует
частоте
генератора
.
Вибрация
пластины
приводит
к
возникновению
механической
волны
соответствующей
частоты
.
Для
получения
ультразвука
может
быть
использован
также
эффект
,
называемый
магнитострикцией
–
возникновение
механической
деформации
тел
под
действием
магнитного
поля
.
Изменяется
длина
ферромагнитного
стержня
(
феррит
никеля
),
помещенное
в
ВЧ
магнитное
поле
катушки
с
частотой
изменения
направления
поля
(V
до
10
5
Гц
).
Приемник
УЗ
(
рисунок
8)
можно
создать
на
основе
прямого
пьезоэлектрического
эффекта
.
В
этом
случае
под
действием
18
механической
УЗ
волны
возникает
деформация
кристаллической
пластины
(1),
которая
приводит
к
генерации
переменного
электрического
поля
и
появлению
переменного
напряжения
на
электродах
(2).
Это
напряжение
можно
измерить
регистрирующей
системой
(3).
Рисунок
8.
Ультразвуковой
приемник
2.
Особенности
распространения
ультразвуковой
волны
:
малая
длина
волны
,
направленность
,
поглощение
,
преломление
,
отражение
По
физической
сущности
УЗ
не
отличается
от
звука
и
представляет
собой
механическую
волну
.
При
ее
распространении
образуются
чередующиеся
участки
сгущения
и
разряжения
частиц
среды
.
Скорость
распространения
УЗ
и
звука
в
средах
одинаковы
:
в
воздухе
– 330
м
/
с
,
в
жидкости
– 1500
м
/
с
.
Длина
волны
УЗ
существенно
меньше
длины
звуковой
волны
.
Так
,
например
,
для
звука
с
частотой
1
кГц
длина
волны
1,5
м
,
а
для
ультразвука
с
частотой
1
МГц
длина
волны
составляет
1,5
мм
.
Благодаря
малой
длине
волны
отражение
и
дифракция
УЗ
происходит
на
объектах
меньших
размеров
,
чем
для
слышимого
звука
,
т
.
е
.
тело
размером
10
см
не
будет
препятствием
для
звуковой
волны
,
но
станет
препятствием
для
ультразвуковой
,
т
.
е
.
за
телом
образуется
УЗ
тень
.
При
определенных
условиях
УЗ
волна
распространяется
направленным
потоком
,
к
которому
применимы
законы
геометрической
оптики
.
При
прохождении
УЗ
через
вещество
происходит
его
ослабление
вследствие
поглощения
:
kx
e
I
I
0
,
где
I
и
I
0
интенсивности
волны
у
поверхности
вещества
и
на
глубине
х
,
соответственно
,
k
–
показатель
поглощения
,
зависящий
от
свойств
среды
.
19
Поглощение
УЗ
в
веществе
весьма
значительно
,
что
обусловлено
его
малой
длиной
волны
.
С
уменьшением
длины
волны
(
т
.
е
.
с
увеличением
частоты
)
показатель
поглощения
k
увеличивается
.
При
прохождении
ультразвуковой
волны
через
границу
раздела
сред
с
различными
волновыми
сопротивлениями
происходит
его
преломление
и
отражение
.
Законы
,
которым
подчиняются
эти
явления
,
полностью
аналогичны
законам
преломления
и
отражения
света
,
поэтому
во
многих
случаях
распространение
УЗ
волн
изображают
с
помощью
лучей
.
На
рисунке
9
показано
преломление
и
отражение
волны
в
случае
,
когда
волновое
сопротивление
первой
среды
меньше
,
чем
второй
.
Энергия
падающей
волны
распределяется
между
преломленной
и
отраженной
волнами
.
Чем
сильнее
различаются
волновые
сопротивления
сред
,
тем
большей
энергией
будет
обладать
отраженная
волна
.
Волновое
сопротивление
биологических
сред
примерно
в
3000
раз
больше
волнового
сопротивления
воздуха
,
поэтому
отражение
на
границе
раздела
воздух
-
кожа
составляет
99,99%.
Чтобы
уменьшить
отражение
,
необходимо
избавиться
от
слоя
воздуха
между
излучателем
УЗ
и
кожей
.
Для
этого
поверхность
кожи
покрывают
специальной
смазкой
,
обладающей
акустическим
сопротивлением
,
близким
к
сопротивлению
кожи
.
3.
Взаимодействие
УЗ
с
биологическими
тканями
:
деформация
,
кавитация
,
выделение
тепла
,
химические
реакции
При
распространении
УЗ
волны
в
веществе
развиваются
Среда
1
Среда
2
γ
β
Рисунок
9.
Отражение
и
преломление
звуковых
волн
на
границе
раздела
сред
20
деформации
,
связанные
с
поочередным
сгущением
и
разряжением
частиц
в
среде
.
В
зависимости
от
значения
интенсивности
волны
эти
деформации
могут
вызвать
либо
незначительные
изменения
структуры
,
либо
ее
разрушение
.
При
распространении
УЗ
в
жидкости
в
областях
разряжения
возникают
растягивающие
силы
,
которые
могут
привести
к
разрыву
в
сплошной
жидкости
в
данном
месте
и
образованию
пузырьков
,
заполненных
парами
этой
жидкости
.
Это
явление
называется
кавитацией
.
Кавитационные
пузырьки
образуются
,
когда
растягивающее
напряжение
в
жидкости
становится
больше
некоторого
критического
значения
,
называемого
порогом
кавитации
(
Р
к
),
для
воды
,
например
,
Р
к
= 1,5·10
8
Па
.
Кавитация
существует
недолго
,
т
.
к
.
пузырьки
быстро
захлопываются
.
В
результате
вблизи
захлопнувшихся
пузырьков
выделяется
значительная
энергия
,
происходит
разогрев
вещества
,
а
также
ионизация
и
диссоциация
молекул
.
Поглощение
ультразвука
веществом
сопровождается
переходом
механической
энергии
во
внутреннюю
энергию
вещества
,
что
ведет
к
его
нагреванию
.
Наиболее
интенсивное
нагревание
происходит
в
областях
,
примыкающих
к
границам
раздела
сред
с
различными
волновыми
сопротивлениями
.
Это
обусловлено
тем
,
что
при
отражении
интенсивность
волны
вблизи
границы
увеличивается
,
и
,
соответственно
,
возрастает
количество
поглощенной
энергии
.
Под
воздействием
УЗ
в
веществе
могут
происходить
изменения
в
окислительно
-
восстановительных
реакциях
.
При
этом
могут
протекать
даже
такие
реакции
,
которые
в
обычных
условиях
неосуществимы
.
Так
,
например
,
возможна
реакция
расщепления
молекулы
воды
на
радикалы
Н
+
и
ОН
–
с
последующим
образованием
перекиси
водорода
Н
2
О
2
.
4.
Использование
УЗ
в
медицине
:
терапии
,
хирургии
,
диагностике
Терапевтическое
действие
УЗ
обусловлено
механическим
,
тепловым
,
химическим
факторами
.
Их
совместное
действие
улучшает
проницаемость
мембран
,
расширяет
кровеносные