Ультразвук - упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц
Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных областях физики, технологии, химии и медицины.
Источники УльтразвукаЧастота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).
В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.
Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.Примеры излучателей:свисток Гальтона,жидкостный и ультразвуковой свисток,сирена.
Распространение ультразвука.
Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.
Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.
Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около
положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются
около среднего положения равновесия называется колебательной
скоростью.
Дифракция, интерференция
При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.
Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.
При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.
Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.
Поглощение ультразвуковых волн
Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.
Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.
Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.
Глубина проникновения ультразвуковых волн
Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.
Рассеяние ультразвуковых волн
Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.
Преломление ультразвуковых волн
Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.
Отражение ультразвуковых волн
На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1-0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие её ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.
Бегущие и стоячие ультразвуковые волны
Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.
Ультразвуком принято называть упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. Такое определение сложилось исторически, однако нижняя граница ультразвука, связанная с субъективными ощущениями человека, не может быть четкой, поскольку некоторые люди не могут слышать звуки с частотами в 10 кГц, а есть люди, воспринимающие частоты в 25 кГц. Для внесения четкости в определение нижней границы ультразвука с 1983 г. установлено считать ее равной 11,12 кГц (ГОСТ 12.1.001–83).
Верхняя граница ультразвука обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу ультразвуковых волн (УЗ) определяют из приблизительного равенства длины звуковой волны и средней длины свободного пробега молекул газа (~10 –6 м), что дает частоту порядка 1 ГГц (10 9 Гц). Расстояние между атомами и молекулами в кристаллической решетке твердого тела примерно равно 10 –10 м. Считая, что и длина волны ультразвука такого же порядка величины, получаем частоту 10 13 Гц. Упругие волны с частотами более 1 ГГц называют гиперзвуком.
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона или инфразвука, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, рассеяния и т. п.). Скорости распространения УЗ волн примерно такие же, как и скорости слышимого звука (см. табл. 4), а поэтому длины ультразвуковых волн значительно меньше. Так, при распространении в воде (с = 1500 м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина волны l = 1500/10 6 = 1,5·10 –3 м = 1,5 мм. Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к ультразвуку можно применять законы геометрической оптики и изготавливать ультразвуковые фокусирующие системы: выпуклые и вогнутые зеркала и линзы, которые используют для получения звуковых изображений в системах звукозаписи и акустической голографии. Помимо этого, фокусировка ультразвука позволяет концентрировать звуковую энергию, получая при этом большие интенсивности.
Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Однако, как и для обычного звука, затухание ультразвука определяется не только его поглощением, но и отражением на границах раздела сред, отличающихся своими акустическими сопротивлениями. Этот фактор имеет большое значение при распространении ультразвука в живых организмах, ткани которых обладают самыми различными акустическими сопротивлениями (например, на границах мышца – надкостница – кость, на поверхностях полых органов и т. п.). Так как акустическое сопротивление биологических тканей в среднем в сотни раз превышает акустическое сопротивление воздуха, то на границе воздух – ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Это создает определенные трудности при ультразвуковой терапии, так как слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука. Поскольку избежать прослоек воздуха между кожей и излучателем невозможно, для заполнения имеющихся между ними неровностей используют специальные контактные вещества, которые должны удовлетворять определенным требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическим сопротивлениям кожи и излучателя, обладать малым коэффициентом поглощения ультразвука, иметь значительную вязкость и хорошо смачивать кожу, быть нетоксичными для организма. В качестве контактных веществ обычно используют вазелиновое масло, глицерин, ланолин и даже воду.
ПОЛУЧЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКА
Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы.
К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Первым УЗ генератором был свисток Гальтона – короткая, закрытая с одного конца трубка с острыми краями, на которые направляется воздушная струя из кольцеобразного сопла. Срывы струи на острых концах трубки вызывают колебания воздуха, частота которых определяется длиной трубки. Свистки Гальтона позволяют получать ультразвук с частотой до 50 кГц. Интересно, что подобными свистками еще в прошлом веке пользовались браконьеры, подзывая охотничьих собак сигналами, не слышными для человека.
Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Газоструйные излучатели и сирены служат почти единственными источниками мощных акустических колебаний в газовых средах, в которые из-за малого акустического сопротивления излучатели с твердой колеблющейся поверхностью не могут передать ультразвук большой интенсивности. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых ими частот, что ограничивает область их применения в биологии.
Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию акустических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели.
В 1880 г. французские ученые Пьер и Жак Кюри открыли явление, получившее название пьезоэлектрического эффекта (греч. пьезо – давлю). Если вырезать определенным образом из кристаллов некоторых веществ (кварца, сегнетовой соли) ; пластинку и сжать ее, то на ее гранях появятся разноименные электрические заряды. При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются. Пьезоэлектрический эффект обратим. Это означает, что если кристалл поместить в электрическое поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля. В переменном электрическом поле кристалл будет деформироваться в такт с изменениями направлениям вектора напряженности и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т. е. продольную акустическую волну.
Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить, переменное напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель. Следовательно, один и тот же кристалл может служить и приемником, и излучателем ультразвука поочередно. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем (рис.). В связи с тем что применение ультразвука в различных областях науки, техники, медицины и ветеринарии с каждым годом возрастает, требуется все большее количество ультразвуковых преобразователей, однако запасы природного кварца не могут удовлетворить возрастающие в нем потребности. Наиболее подходящим заменителем кварца оказался титанат бария, представляющий собой аморфную смесь двух минеральных веществ – углекислого бария и двуокиси титана. Для придания ей нужных свойств аморфную массу нагревают до высокой температуры, при которой она размягчается, и помещают ее в электрическое поле. При этом происходит поляризация дипольных молекул. После охлаждения вещества в электрическом поле молекулы фиксируются в ориентировочном положении и вещество приобретает определенный электрический дипольный момент. У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз сильнее, чем у кварца, а стоимость его невысока.
Преобразователи другого типа основаны на явлении магни-тострикции (лат. strictura–сжимание). Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается в зависимости от направления намагничивания. Если стержень поместить в переменное магнитное поле, то его длина будет меняться в такт с изменениями электрического тока, создающего магнитное поле. Деформация стержня создает акустическую волну в окружающей среде.
Для изготовления магнитострикционных преобразователей применяют пермендюр, никель, железоалюминиевые сплавы – альсифёры. У них большие величины относительных деформаций, большая механическая плотность и меньшая чувствительность к температурным воздействиям.
В современной ультразвуковой аппаратуре используют оба вида преобразователей. Пьезоэлектрические применяют для получения ультразвука высоких частот (выше 100 кГц), магни-тострикционные– для получения ультразвука меньших частот. Для медицинских и ветеринарных целей обычно используют генераторы небольшой мощности (10–20 Вт) (рис.).
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ВЕЩЕСТВОМ
Рассмотрим, с какими параметрами колебательного движения приходится иметь дело при распространении ультразвука в веществе. Пусть излучатель создает волну с интенсивностью I =10 5 Вт/м 2 и частотой 10 5 Гц. I = 0,5rcA 2 w 2 = 2cA 2 rp 2 n 2 . Отсюда
Подставляя в формулу значения входящих в нее величин, получим, что амплитуда смещения частиц воды при данных условиях А = 0,6 мкм. Амплитудное значение ускорения частиц воды а м = Аw 2 = 2·4·10 5 м/с 2 , что в 24 000 раз превышает ускорение силы тяжести. Амплитудное значение акустического давления р а = rсАw = 5,6·10 5 Па @ 6 атм. При фокусировании ультразвука получаются еще большие давления.
При распространении ультразвуковой волны в жидкости во время полупериодов разрежения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных паром этой жидкости. Это явление носит название кавитации (лат. cavum– пустота). Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становится больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации. Для чистой воды теоретическое значение порога кавитации р к = 1,5·10 8 Па = 1500 атм. Реальные жидкости менее прочны в связи с тем, что в них всегда находятся зародыши кавитации – микроскопические газовые пузырьки, твердые частички с трещинами, заполненными газом, и т. п. Часто на поверхности пузырьков возникают электрические заряды. Захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается сильным нагревом их содержимого, а также выделением газов, содержащих атомарный и ионизированный компоненты. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям. Это проявляется в кавитационной эрозии, т. е. в разрушении поверхности твердых тел. Даже такие прочные вещества, как сталь и кварц, разрушаются под действием микроударных гидродинамических волн, возникающих при захлопывании пузырьков, не говоря уже о находящихся в жидкости биологических объектах, например микроорганизмах. Этим пользуются для очистки поверхности металлов от окалины, жировых пленок, а также для диспергирования твердых тел и получения эмульсий несмешивающихся жидкостей.
При интенсивности ультразвука менее 0,3-10 4 Вт/м 2 кавитация в тканях не происходит, и ультразвук вызывает ряд других эффектов. Так, в жидкости возникают акустические потоки, или «звуковой ветер», скорость которого достигает десятков сантиметров в секунду. Акустические потоки перемешивают облучаемые жидкости, изменяют физические свойства суспензий. Если в жидкости находятся частицы, обладающие противоположными электрическими зарядами и разными массами, то в ультразвуковой волне эти частицы будут отклоняться от положения равновесия на разные расстояния и в поле волны возникает переменная разность потенциалов (эффект Дебая). Такое явление происходит, например, в растворе поваренной соли, содержащей ионы Н + и в 35 раз более тяжелые ионы С1 – . При больших различиях в массах потенциал Дебая может достигать десятков и сотен мВ.
Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии в тепловую. Тепло образуется в областях, примыкающих к границам раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. При отражении ультразвука интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. Легко убедиться в этом, прижав к влажной руке излучатель. Вскоре на противоположной стороне руки возникает болевое ощущение, похожее на боль от ожога, вызванное ультразвуком, отраженным на границе кожа – воздух. Однако тепловое действие ультразвука при интенсивностях, применяемых в терапии, очень незначительно.
В УЗ поле могут протекать как окислительные, так и восстановительные реакции, причем даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы. Одной из характерных реакций является расщепление молекулы воды на радикалы Н + и ОН – с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 и некоторых жирных кислот. Значительное действие оказывает ультразвук на некоторые биохимические соединения: от белковых молекул отрываются молекулы аминокислот, происходит денатурация протеинов и т. п. Все эти реакции стимулируются, очевидно, колоссальными давлениями, возникающими в ударных кавитационных волнах, однако законченной теории звукохимических реакций в настоящее время еще не существует.
Ультразвук вызывает свечение воды и некоторых других жидкостей (УЗ люминесценция). Свечение это очень слабое, и его обычно регистрируют фотоумножителями. Причина свечения в основном заключается в том, что при захлопывании кавитационных пузырьков происходит сильное адиабатическое нагревание заключенного в них пара. Температура внутри пузырьков может достигать 10 4 К, что приводит к возбуждению атомов газа и излучению ими квантов света. Интенсивность УЗ люминесценции зависит от количества газа в пузырьке, от свойств жидкости и интенсивности ультразвука. Это явление несет с собой информацию о природе и кинетике процессов, происходящих при облучении жидкости ультразвуком. Как было показано В. Б. Акопяном и А. И. Журавлевым, при некоторых заболеваниях УЗ свечение ряда биологических жидкостей меняется, что может лечь в основу диагностики этих заболеваний.
ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
На живые организмы ультразвук, как и другие физические факторы, оказывает возмущающее действие, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Механизм возмущающего действия ультразвука изучен еще недостаточно, но можно утверждать, что он определяется совокупностью механического, термического и физико-химического действий. Эффективность этих факторов зависит от частоты и интенсивности ультразвука. Выше были вычислены амплитудные значения акустического давления и ускорения частиц среды в УЗ волне, которые оказались очень большими, однако они не дают представления о механических усилиях, приходящихся на одну клетку. Расчет сил, действующих на клетку в УЗ поле, был проведен В. Б. Акопяном, который показал, что если на клетку размером 5·10 – 5 м действует ультразвук с частотой 1 МГц и интенсивностью 10 4 Вт/м 2 , то максимальная разность растягивающих и сжимающих сил в противоположных концах клетки не превышает 10 –13 Н. Такие силы не могут оказывать на клетку заметного влияния, не говоря уже о ее разрушении. Поэтому растягивающие и сжимающие силы, действующие на клетку в УЗ волне, вряд ли могут приводить к ощутимым биологическим последствиям.
Более эффективны, по-видимому, акустические течения, приводящие к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Внутри клетки, обладающей сложной внутренней структурой, микропотоки вполне могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму и изменять ее вязкость, отрывать от клеточных мембран биологические макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный заряд, мембран и их проницаемость, оказывая влияние на жизнедеятельность клетки. Если мембраны не повреждены, то через некоторое время перешедшие во внеклеточную среду или в цитоплазму макромолекулы возвращаются обратно на поверхность мембран, хотя и неизвестно, попадают ли они именно на те места, с которых были вырваны, а если нет, то ведет ли это к каким-либо нарушениям физиологии клетки.
Разрушение мембран происходит при достаточно больших интенсивностях ультразвука, однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются уже при интенсивностях порядка 0,1·10 4 Вт/м 2 , тогда как другие выдерживают интенсивность до 25·10 4 Вт/м 2 и выше. Как правило, более чувствительны клетки животных тканей и менее чувствительны растительные клетки, защищенные прочной оболочкой. О различной ультразвуковой резистентности эритроцитов говорилось в главе I. Облучение ультразвуком с интенсивностью более 0,3·10 4 Вт/м 2 (т.е. выше порога кавитации) используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов. Так разрушают тифозные и туберкулезные палочки, стрептококки и пр. Следует отметить, что облучение ультразвуком с интенсивностью менее кавитационного порога может приводить к повышению жизнедеятельности клеток и к увеличению числа этих микроорганизмов, что вместо положительного эффекта приведет к отрицательному. Ультразвук, применяемый в терапии и диагностике, не вызывает кавитации в тканях. Это обусловлено либо заведомо низкими интенсивностями (от 0,05 до 0,1 Вт/см 2), либо использованием интенсивных (до 1 кВт/см 2), но коротких импульсов (от 1 до 10 мкс) при эхолокации внутренних органов. Усредненная по времени интенсивность ультразвука оказывается и в этом случае не выше 0,1-10 4 Вт/м 2 , что недостаточно для возникновения кавитации.
Нагревание тканей при их облучении терапевтическим ультразвуком весьма незначительно. Так, при облучении отдельных органов у коров в месте воздействия ультразвука температура кожи повышается не более чем на 1 °С при интенсивности 10 4 Вт/м 2 . При облучении ультразвуком теплота в основном выделяется не в объеме ткани, а на границах раздела тканей с разными акустическими сопротивлениями, или в одной и той же ткани на неоднородностях ее структуры. Возможно, что именно этим объясняется тот факт, что ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (печень и др.). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.
Не менее существенными могут оказаться и эффекты, связанные с потенциалом Дебая. Импульсы диагностического ультразвука способны обусловить в тканях потенциал Дебая до сотен мВ, что сравнимо по порядку величины с потенциалами клеточных мембран, а это может вызвать деполяризацию мембран и повышение их проницаемости по отношению к ионам, участвующим в клеточном метаболизме. Следует отметить, что изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетки, превалирует в том или ином случае.
Таким образом, биологическое действие ультразвука обусловлено многими связанными между собой процессами, некоторые из которых еще недостаточно исследованы до настоящего времени и описание которых не входит в задачу учебного пособия. Согласно В.Б. Акопяну, ультразвук вызывает в биологических объектах следующую цепочку превращений: ультразвуковое воздействие ® микропотоки в клетке ® повышение проницаемости клеточных мембран ® изменение состава внутриклеточной среды ® нарушение оптимальных условий для ферментативных процессов ® подавление ферментативных реакций в клетке ® синтез новых ферментов в клетке и т. д. Пороговым для биологического действия ультразвука будет такое значение его интенсивности, при котором не происходит нарушения проницаемости клеточных мембран, т. е. интенсивность не выше 0,01·10 4 Вт/м 2 .
Ультразвук, обладающий сильным биологическим свойством, можно применять в сельском хозяйстве. Опыты последних лет показали перспективность воздействия низкочастотным ультразвуком на семена злаковых и огородных культур, кормовых и декоративных растений.
УЛЬТРАЗВУК В МИРЕ ЖИВОТНЫХ
Некоторые птицы, ведущие ночной образ жизни, используют для эхолокации звуки слышимого диапазона (козодои, стрижи-саланганы). Козодои, например, издают резкие отрывистые крики с частой 7 кГц. После каждого крика птица улавливает звук, отраженный от препятствия, и узнает местоположение этого препятствия по направлению, откуда пришло эхо. Зная скорость распространения звука и время, прошедшее от его испускания до приема, можно вычислить расстояние до препятствия. Таких вычислений птица, конечно, не делает, но каким-то образом ее мозг позволяет хорошо ориентироваться в пространстве.
Наибольшего совершенства достигли ультразвуковые эхолокационные органы у летучих мышей. Поскольку пищей для них служат насекомые, т. е. предметы малых размеров, то для уменьшения дифракции на подобных объектах необходимо использовать колебания с малой длиной волны. В самом деле, если принять, что размер насекомого 3 мм, то дифракция на нем будет незначительной при длине волны такого же порядка величины, а для этого частота колебаний должна быть, по крайней мере, равной n = c /l = 340/3·10 –3 » 10 5 Гц = 100 кГц. Отсюда вытекает необходимость использования для эхолокации ультразвука, и, действительно, летучие мыши испускают сигналы с частотами порядка 100 кГц. Процесс эхолокации происходит следующим образом. Зверек испускает сигнал длительностью 1–2 мс, причем на это время его чувствительные ушки закрываются специальными мышцами. Затем сигнал прекращается, ушки открываются, и летучая мышь слышит отраженный сигнал. Во время охоты сигналы следуют один за другим до 250 раз в секунду.
Чувствительность эхолокационного аппарата летучих мышей очень высока. Так, например, Гриффин натягивал в темной комнате сетку из металлических проволок диаметром 0,12 мм с расстоянием между проволоками в 30 см, что лишь немного превышало размах крыльев летучих мышей. Тем не менее, зверьки свободно летали по комнате, не задевая за проволоки. Мощность воспринимаемого ими сигнала, отраженного от проволоки, была порядка 10 –17 Вт. Удивительна также способность летучих мышей выделять нужный сигнал из хаоса звуков. Во время охоты каждая летучая мышь воспринимает только те УЗ сигналы, которые она испускает сама. Очевидно, органы этих животных имеют строгую резонансную настройку на сигналы определенной частоты, и они не реагируют на сигналы, отличающиеся от собственных всего на долю герца. Такой избирательностью и чувствительностью не обладает пока ни одно локационное устройство, созданное человеком. Широко используют УЗ локацию дельфины. Чувствительность их локатора настолько велика, что они могут обнаруживать на расстоянии 20–30 м опущенную в воду дробинку. Диапазон частот, испускаемых дельфинами, составляет от нескольких десятков герц до 250 кГц, но максимум интенсивности приходится на 20–60 кГц. Для внутривидового общения дельфины используют звуки слышимого человеком диапазона, примерно до 400 Гц.
Предлагаемая вниманию читателей книга проф. Бергмана представляет собой обширную энциклопедию ультраакустики.
Настоящий перевод сделан с последнего, шестого издания, вышедшего в 1954 г. Автор при написании книги использовал свыше 5000 работ и систематизировал их в виде обзоров по отдельным вопросам. Следует отметить, что при переработке этого огромного материала автор допустил довольно много мелких погрешностей; это относится к описанию процессов работы некоторых приборов и устройств, химической терминологии, библиографическим данным и др. При редактировании перевода замеченные ошибки были по возможности исправлены путем сопоставления с оригинальными работами; в отдельных случаях даны необходимые примечания и ссылки на не упомянутые автором работы, в частности советских ученых, хотя эта часть библиографии представлена в книге довольно полно; кроме того, в библиографии добавлено около 100 работ.
Мы надеемся, что капитальный труд проф. Бергмана принесет пользу всем лицам, работающим в области ультразвука и его применений, а также всем интересующимся этим новым разделом физической и технической акустики.
Перевод выполнен Б. Г. Белкиным (гл. I, П, § 1 - 3 гл. Ill и§ 1 - 4, 8 - 11 гл-. VI), М. А. Исаковичем (гл. IV и V), Г. П. Мотулевич (§4 гл. Ill) и Н. Н. Тихомировой (§ 5 - 7, 12 и дополнение к гл. VI).
Гл. I, II, III и § 1 - 4 гл. VI редактировал Л. Д. Розенберг, гл. IV, V и § 5 - 12 и дополнение гл. VI - В. С. Григорьев.
В. С. Григорьев, Л. Д. Розенберг.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА К ШЕСТОМУ ИЗДАНИЮ
Пятое издание настоящей книги (первое издание после войны), вышедшее осенью 1949 г., за истекшие четыре года полностью разошлось. Вместе с тем число работ, посвященных ультразвуку, за это время почти удвоилось - многие работы военных и послевоенных лет увидели свет уже после выхода пятого издания. Желание включить в текст эти новые работы потребовало переработки всей книги и привело к многочисленным допольниям и изменениям. Достаточно сказать, что число иллюстраций возросло с 460 до 609, число таблиц - с 83 до 117, а список литературы охватывает теперь 5150 работ.
В последнее время ультразвук находит все более широкое применение в естествознании, технике, медицине. Поэтому я предпослал книге главу об основных законах акустики, имеющую своей целью познакомить читателя, не знакомого с этим разделом физики, с важнейшими величинами, характеризующими звуковое поле, с законами отражения и преломления звука, с прохождением звука через границы раздела, с интерференцией и поглощением звука. В остальном построение книги осталось без изменений. Значительно расширены разделы, касающиеся магнитострикционных и пьезоэлектрических излучателей; в числе прочих описаны излучатели, использующие новые пьезоэлектрические материалы - керамику титаната бария и кристаллы дигидрофосфата аммония (ADP). В третьей главе добавлен раздел, посвященный методам визуализации ультразвуковых колебаний, в первом параграфе четвертой главы - раздел о скорости звука в расплавах. Второй параграф четвертой главы расширен за счет разделов, посвященных
влиянию объемной вязкости на поглощение звука, а также измерению сдвиговых вязкости и упругости жидкостей. В третий параграф шестой главы введен раздел об измерении скоростей потока с помощью ультразвука. Главы об измерении скорости и поглощения звука в жидких, газообразных и твердых телах частично написаны заново. Это же относится к параграфам, касающимся применения ультразвука в технике связи и при испытании материалов. Из параграфа, посвященного химическим действиям ультразвука, выделены в самостоятельный параграф вопросы, связанные с электрохимическими процессами.
Как и в предыдущих изданиях, основное внимание уделяется экспериментальным данным, а многочисленные теоретические работы упоминаются лишь в той мере, в какой это необходимо для понимания материала книги. Моей задачей в первую очередь было дать обзор современного состояния ультраакустики. Я ставил также своей целью по возможности полно осветить касающуюся ультразвука литературу. При этом не были оставлены без внимания и небольшие сообщения и патенты, ибо они играют важную роль в вопросах приоритета.
По полноте упоминаемых материалов книга теперь приобрела характер справочника; при этом не всегда оказывалось возможным критически оценить многие работы. Больше всего мне хотелось, чтобы всякий, сталкивающийся тем или иным образом с ультразвуком, мог найти в книге указание на то, какими средствами и с каким успехом решалась интересующая его задача.
Предисловие автора к шестому изданию
Я надеюсь, что шестое издание книги будет встречено читателями не менее благосклонно, чем предыдущие ее издания, и что результаты вложенных в книгу усилий и труда окажутся ценным подспорьем для специалистов и учащихся, занимающихся вопросами ультразвука.
Считаю своим приятным долгом выразить благодарность многочисленным коллегам в Германии и за границей за предоставленные ими оттиски их работ, за указание опечаток, а также за ценную критику и полезные советы. Особую благодарность приношу проф. Сата (Токио), предоставившему в мое распоряжение перечень японских работ по ультразвуку. За интересные дискуссии и некоторые ценные советы по содержанию и стилю книги я благодарен проф. Борг-нису (в настоящее время Пасадена, США), д-ру Хютеру (в настоящее время Массачусетский технологический институт, США) и проф. Шаафсу (Берлин). Эта благодарность относится также к ряду фирм, предоставивших мне проспекты и иллюстративные материалы.
Л. Бергман.
Ветцлар, март 1954.
ВВЕДЕНИЕ
Под ультразвуковыми колебаниями в акустике понимают такие колебания, частота которых лежит за верхним пределом слышимости человеческого уха, т. е. превосходит примерно 20 кгц. Помимо собственно звуковых колебаний, под которыми обычно подразумевают распространяющиеся в среде продольные волны, к ультразвуку относят колебания изгиба и сдвига, а также поперечные и поверхностные колебания, если частота их составляет более 20 кгц. В настоящее время удается получать ультразвуковые колебания с частотой до 10е кгц. Область ультразвуковых колебаний охватывает, следовательно, приблизительно 16 октав. В длинах волн это означает, что ультразвуковые волны занимают диапазон, простирающийся в воздухе (скорость распространения звука с = 330 м/сек) от 1,6 до 0,3- lCMcut1), в жидкостях (с \200м/сек) от 6 до 1,2-10-4сл« и в твердых телах (с4000 м/сек) от20до4-10“4 см. Таким образом, длина наиболее коротких ультразвуковых волн по порядку величины сравнима с длиной видимых световых волн. Именно малость длины волны обусловила особые применения ультразвука. Он позволяет без помех со стороны ограничивающих поверхностей и т. п. проводить многие исследования, в особенности измерения скорости распространения звука, в гораздо меньших объемах вещества, чем это допускают ранее применявшиеся колебания слышимого диапазона.
Законы акустики слышимого диапазона действуют без изменений и в области ультразвука; однако здесь наблюдаются некоторые особые явления, не имеющие места в слышимом диапазоне. В первую очередь это возможность визуального наблюдения ультразвуковых волн оптическими методами, которая позволяет реализовать многочисленные интересные способы измерения различных констант материалов. Далее, благодаря малой длине волны ультразвуковые волны допускают отличную фокусировку и, следовательно, получение направленного излучения; поэтому можно говорить об ультразвуковых лучах и строить на их основе своего рода звукооптические системы.
К указанному нужно добавить, что сравнительно простыми средствами удается получать ультразвуковые колебания таких больших интенсивностей, каких мы совершенно не знаем в акустике слышимого диапазона. Все эти причины привели к тому, что за последние 20 лет ультразвук нашел исключительно широкое применение в самых различных областях науки и техники. Значение ультразвука выходит теперь далеко за рамки физики. Он находит себе применение в химии, биологии и медицине, в технике связи и металловедении, при испытании и обработке материалов, а также во многих других отраслях техники. Широкому внедрению ультразвука в технику препятствует не недостаточность полученных экспериментальных данных или их сомнительность, а только отсутствие пригодных для широкого промышленного применения эксплуатационно надежных и достаточно экономичных ультразвуковых генераторов. Однако в последние годы в этом направлении был проделан ряд многообещающих опытов и достигнуты значительные успехи. Во всяком случае, можно с уверенностью утверждать, что в обиход научной лаборатории, в технику измерений и испытаний, в биологию и медицину ультразвук вошел уже прочно.
допускающих дальнейшее усовершенствование, устройств, пока отсутствуют. Предложения относительно облучения ультразвуком микроскопических объектов во время наблюдения сделали также Леви и Пейп .
При изучении биологического действия ультразвука очень важным вопросом, на который, к сожалению, во многих работах не обращается вовсе или обращается мало внимания, является правильное указание использованной интенсивности звука и, в особенности, воспроизводимости условий облучения. Если исследования не ведутся непосредственно под микроскопом, то изучаемый объект облучают обычно в пробирке, колбе или в какой-либо кювете. Сосуд погружают в масляную ванну ультразвукового излучателя. Ясно, что интенсивность ультразвука в сосуде при одинаковом возбуждении кварца зависит от того, как глубоко и в каком положении сосуд погружен в масляную ванну, от толщины дна сосуда и от акустических сопротивлений материала сосуда и наполняющей его жидкости. Даже если бы было возможно точно рассчитать величину звуковой энергии, проникающей в сосуд, то интенсивность звука, непосредственно воздействующего на препарат, будет зависеть еще и от того, какова интенсивность волн, отраженных от поверхности жидкости и от стенок сосуда и снова воздействующих на препарат.
Поэтому Джакомини предлагает для биологических целей кювету (фиг601), стенки которой, служащие для входа и выхода звуковых волн, выполнены в виде полуволновых слюдяных или ацетилцеллюлозных пластинок. В соответствии с измерениями Леви и Филиппа (см. гл. V, § 1, п. 2) в качестве материала для кюветы может быть использован также каучук. Если через такую кювету пропускать в продольном направлении параллельный звуковой пучок, то можно практически избежать отражения звука. При этом можно сделать видимым путь звуковых лучей при помощи теневого метода, описанного в гл. III, § 4, п. 1.
2. Действие ультразвука на организмы малых и средних размеров
Ланжевен и позже Вуд и Лумис показали в своих работах по ультразвуку, что находящиеся в ультразвуковом поле небольшие животные - рыбы, лягушки, головастики и т. д. - парализуются или погибают. Доньон и Бьянча-ни , а также Френцель, Хинсберг и Шуль-тес изучили это явление более детально; последние три автора нашли, что у животных, подвергаемых действию ультразвука, сразу после начала облучения наблюдается сильное беспокойство, выражающееся в резких рывках, за которыми часто уже через 1 мин. следует состояние полной неподвижности. Рыбы при этом обычно лежат на боку. Жаберное дыхание ослабляется и становится еле заметным. Это состояние снова сменяется приступами беспокойства с учащенным бурным дыханием и явлениями резкого удушья. Одновременно наблюдается значительное учащение сердечной деятельности. Однако чаще всего у животных наблюдаются состояния, сходные с наркотическим; прикосновение к животным не вызывает с их стороны никакой реакции. Если в это время прекратить облучение, часть животных еще может оправиться; если же облучение продолжается, то животные гибнут.
У лягушек после кратковременного облучения наблюдается состояние паралича, особенно задних конечностей, напоминающее паралич, вызываемый кураре (см. также новые опыты Фрая, Вулффа и Тукера ).
При очень большой интенсивности облучения у рыб в разных участках тела возникают небольшие кровотечения, особенно на плавниках и у ротового отверстия. Обычно обнаруживаются и другие повреждения плавников, а именно разрывы тонкой кожи между лучами. На жабрах часто наблюдаются повреждения поверхностных участков с небольшими кровотечениями и набуханием покровного эпителия, хотя капиллярная система плавников не повреждается сколько-нибудь значительно. Однако, согласно Френцелю, Хинсбергу и Шультесу, все эти повреждения не могут объяснить поведения животных и их гибели t звуковом поле. Не обнаружены также кровоизлияния или какие-либо повреждения центральной нервной системы. Так как нет основания говорить и о действии сильного нагревания, то указанные выше авторы считают, что непосредственная причина смерти заключается в воздействии на нервную систему, не сопровождающемся заметными морфологическими изменениями. В пользу этого предположения говорят выполненные на дафниях микроскопические наблюдения Доньона и Бьянча-ни , согласно которым при облучении парализуются сначала конечности, затем жабры, глаза и, наконец, останавливается сердце.
Обнаруженные Доньоном и Бьянчани при большой интенсивности звукового воздействия разрыва! мышечной ткани у более крупных животных, вероятно, являются результатом рефлекторных явлений и обусловлены стягиванием волокон, что в свою очередь вызвано раздражением кожи. В пользу этого предположения говорят данные о том, что подобные разрывы ткани не наблюдаются в тех случаях, когда двигательные нервы искусственно парализованы, например при помощи кураре. Аналогичные исследования выполнены также Чамберсом и Харви и Делоренци (см. также Бретшнайдер ).
Новые исследования живых мышечных волокон, подвергнутых ультразвуковым и тепловым воздействиям, выполненные при помощи киносъемки (Шмитц и Гесслер ), показали, что повреждения отдельных мышечных волокон, аналогичные вызываемым ультразвуком, могут быть также получены при локальной диатермии. Кроме того, некоторые повреждения, такие, как внезапный разрыв мышечного волокна или образование в нем отверстий, могут быть вызваны своего рода псевдокавитацией (см. 7 настоящей главы).
Вольф с целью обоснования количественной дозировки ультразвука определял летальную дозу для небольших водных животных при облучении ультразвуком с частотой 800 кгц. Для каждого вида объектов была получена особая кривая смертности, что указывает на различные механизмы воздействия звуковых волн. Если интенсивность облучения становится ниже некоторой определенной величины, животные не гибнут даже при очень длительном воздействии ультразвука; таким образом, здесь не применим закон
Интенсивность X BpeMH = const.
Исследование зависимости летальных доз от частоты провел Цейльхофер (см. также Смолярский ).
Исследования Каназава и Шиногава , выполненные на мелких рыбах, показали, что действие малых доз ультразвукового облучения ускоряет и стимулирует жизненные процессы. Согласно Вирсинскому и Чайлду , действие ультразвука на дафний, циклопов и рыб вызывает сначала явления возбуждения, а затем - явления торможения.
О действии ультразвука на сердце холоднокровных животных сообщает Харви , а также Фёрстер и Хольсте . Наряду с уменьшением амплитуды сердечных сокращений и их учащением отмечается также изменение токов действия. Одни только тепловые воздействия такого эффекта не вызывают. Дёнхардт и Преш , а также Кейдель твердо установили изменение электрокардиограммы морской свинки и лягушки при облучении сердца звуковыми волнами (см. также ).
Локализованные повреждения центральной нервной системы при применении концентрированных ультразвуковых волн получены у различных животных Линном и сотрудниками .
Описанные до сих пор действия ультразвука наблюдались при облучении животных в жидкой среде. Аллен, Фрингс и Рудник , а также Элдредж и Паррак показали, что звук, распространяющийся в воздухе, также способен оказать повреждающее, а иногда даже смертельное действие на небольших животных. В поле ультразвуковой сирены при частоте 20 кгц и силе звука 1 - 3 вт/см2 в течение короткого времени погибают мелкие животные - мыши, различные насекомые и т. д.; смерть при этом вызывается сильным повышением температуры тела .
4. Действие ультразвука на бактерии и вирусы
Уже в 1928 г. Харви и Лумис установили, что светящиеся бактерии разрушаются под действием ультразвука. Вильямс и Гейнс двумя годами позже нашли для облученных бактерий группы кишечной палочки уменьшение числа микробов. В последующие годы было опубликовано большое число работ о влиянии ультразвуковых волн на бактерии и вирусы. При этом выяснилось, что результаты могут быть очень разнообразными: с одной стороны, наблюдались повышенная агглютинация, потеря вирулентности или полная ги,бель бактерий, с другой стороны, отмечался и обратный эффект - увеличение числа жизнеспособных особей. Последнее особенно часто имеет место после кратковременного облучения и может, согласно Беквиду и Виверу , а также Яваи и Накахара , объясняться тем, что при кратковременном облучении прежде всего происходит механическое разделение скоплений бактериальных клеток, благодаря чему каждая отдельная клетка дает начало новой колонии. Фухтбауер и Тейсман также
нашли при облучении сардин и стрептококков увеличение образования колоний, что объясняется распадом пакетов бактерий на отдельные жизнеспособные кокки и разрывом цепей стрептококков. К тем же результатам при облучении стафилококков пришел также и Хомпеш (см. патент Шропшайра ).
Акияма установил, что тифозные палочки полностью убиваются ультразвуком с частотой 4,6 мггц, в то время как стафилококки и стрептококки повреждаются при этом лишь частично. Янь и Лю Чжу-ци при облучении различных видов бактерий нашли, что при гибели бактерий одновременно происходит их растворение, т. е. разрушение морфологических структур, так что после действия ультразвука не только уменьшается число колоний в данной культуре, но подсчет числа особей обнаруживает уменьшение морфологически сохранившихся форм бактерий. Виолле 12100] подвергал действию ультразвука с частотой 960 кгц бациллы коклюша в водном и физиологическом растворах и обнаружил значительное разрушающее действие ультразвука на эти микроорганизмы (см. также).
Френч 12818] облучал ультразвуком с частотой 15 и 21 кгц фотосинтезирующие бактерии, которые лопались и теряли свои фотосинтети-ческие свойства. Экстракт из разрушенных бактерий мог, однако, быть использован как фото катализатор для окисления аскорбиновой кислоты при освещении видимым и инфракрасным светом.
Большое число работ, посвященных влиянию ультразвука на бактерии и вирусы, проведено японскими авторами (см. табл. 115). Однако мы зашли бы слишком далеко, если бы останавливались на каждой работе в отдельности, тем более что во многих случаях результаты противоречивы. Это может быть связано с различием использованных частот, примененных интенсивностей ультразвука и длительности воздействия.
Руйе, Грабар и Прюдом сообщают, что при облучении ультразвуком с частотой 960 кгц бактерии размером 20 - 75 тц разрушаются значительно быстрее и полнее, чем бактерии, имеющие размеры 8 - 12 цщ. Это совпадает с результатами исследования Берда и Гантвурта , которые нашли, что палочкообразные бактерии легче убиваются ультразвуком, чем круглые (кокки).
Согласно данным Штумпфа, Грина и Смита , разрушающее действие ультразвуковых волн зависит от концентрации бактериальной
взвеси. В слишком густой и, следовательно, очень вязкой взвеси не наблюдается разрушения бактерий, а можно отметить только нагревание. Лапорт и Луазлёр показали на бациллах туберкулеза, что различные штаммы одного и того же вида бактерий могут совершенно различно относиться к облучению ультразвуком. Результаты этих опытов дополняют данные Вельтмана и Вебера . Вельтман и Вебер , Кюстер и Тейсман , а также Амбр придерживаются того взгляда, что в ультразвуковом поле происходит преимущественно механическое разрушение бактерий. Тейсман и Валлхойзер , так же как Хауссман, Келер и Кох , сделали при помощи электронного микроскопа прекрасные снимки облученных ультразвуком и поврежденных нагреванием бактерий дифтерита. Только у облученных бактерий можно было заметить повреждение или разрушение клеточной оболочки и плазмолиз. На основании этих данных нужно считать, что действие ультразвука на бактерии является главным образом механическим, а нагревание имеет лишь второстепенное значение (см. также Мартишниг ).
Хортон считает, что так как на поверхности бактерий происходит кавитация, то силы сцепления между бактериальной клеткой и окружающей жидкостью слабее, чем межмолекуляр-ные силы в самой жидкости. Если увеличить силы сцепления между бактериальной клеткой и жидкостью при помощи поверхностно-активных веществ (например, лейцин, глицин, пептон и т. д.), то разрушающее действие ультразвука уменьшится. Если уменьшить силу сцепления, нагревая взвесь, то кавитация на поверхности бактерий усилится и разрушающее действие увеличится. Если взять смесь бактерий (например, кислотоустойчивых бактерий, содержащих воск, и кишечной палочки), у которых силы сцепления с жидкостью различны, то при облучении ультразвуком кавитация происходит преимущественно на поверхности первых, благодаря чему быстрота уничтожения вторых уменьшается. Хортон подтвердил правильность этих соображений систематическими исследованиями.
Луазлёр и Касахара, Огата, Камбая-си и Йосида указывают на то, что наряду с кавитацией в разрушении микробов и бактерий значительное место принадлежит окислительному действию активированного ультразвуком кислорода (см. также ). Однако, с другой стороны, Руйе, Грабар и Прюдом нашли, что при наличии кавитации бактерии разрушаются и в отсутствие кислорода или при добавлении редуцирующих веществ, например водорода. Последнее обстоятельство важно потому, что только при полном отсутствии окислительного действия можно при помощи ультразвука выделить из бактерий антигены в неизмененном виде.
Различными исследователями (Чамберс и Вейль , Харви и Лумис , Оцаки , Янь и Лю Чжу-Ци ) было замечено, что облученная взвесь бактерий обнаруживает уменьшение мутности и повышение прозрачности. Это может быть связано либо с просветлением каждой отдельной клетки в результате изменения степени дисперсности составляющих ее коллоидов, либо с растворением клеточных связей. В последнем случае благодаря растворению составных частей клеток в растворе должно было бы обнаружиться увеличение количества азотсодержащих соединений и уменьшение азота бактерий. Соответствующие исследования провел Хомпеш при облучении взвеси кишечной палочки ультразвуком с частотой 1 мггц и интенсивностью 3,2 вт/см2. Действительно, как показывает табл. 114, при облучении ультразвуком значительные количества азотсодержащих соединений переходят в раствор и азот бактерий значительно уменьшается.
Таблица 114 УМЕНЬШЕНИЕ АЗОТА БАКТЕРИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКА
Высокие температуры, так же как и добавление различных катионов (ионы Са, Ва, Mg), значительно задерживают или уменьшают эффект. Хомпеш считает, что действие ультразвука на бактерии в основном является коллоидно-химическим процессом, вызывающим на поверхности клетки гидратацию коллоидов, благодаря чему составные части клетки переходят в раствор. Возможно, однако, что описываемое явление объясняется спонтанным автолизом бактерий, возникающим благодаря нарушению ферментативных реакций.
К сожалению, до сих пор мало выяснен вопрос о влиянии интенсивности, частоты, времени облучения, а также температуры на разрушение бактерий и вирусов. Фухтбауер и Тейсман нашли, что при повышении температуры разрушительное действие ультразвука на бактерии усиливается. Замбелли и Тринчери , воздействуя ультразвуком на бактериальную флору кожи, показали, что при постоянной интенсивности облучения количество бактерий прогрессивно падает при увеличении длительности воздействия; после 30 - 40 мин. наступает стерилизация поверхности кожи. При неизменных времени и интенсивности повышение частоты оказывает более сильное бактерицидное действие на кожу. При той же длительности воздействия эффект возрастает с повышением интенсивности. Удивительно, однако, что средние дозы облучения оказывают меньшее влияние, чем малые (см. также ). Вельтман и Вебер нашли при облучении Gonococcus interacellularis, что выше порогового значения 0,5 вт/см2 увеличение интенсивности облучения, так же как и увеличение длительности воздействия усиливают действие ультразвуковых волн на бактерии. Изменение частоты между 1 и 3 мггц не оказывает какого-либо влияния.
Дальнейшие сведения о действии ультразвука на бактерии и вирусы можно найти в работах . Представление о важнейших видах микроорганизмов (в том числе возбудителей болезней), подвергнутых действию ультразвука, дает табл. 115.
Из вирусов особенно подробно был исследован вирус табачной мозаики, причем Кауше, Пфанкух и Руска установили, что он может быть разрушен даже интенсивным воздействием звука слышимых частот. Снимки под электронным микроскопом показали, что вирус распадается на много частей одинаковой величины. По-видимому, при этом его иммунохимические свойства не меняются, хотя исчезает характерный для нуклеопротеидов спектр поглощения в ультрафиолете.
Боймер и Боймер-Иохман облучали бактериофаги отдельно и вместе с соответствующими бактериями и не могли установить никакой связи между чувствительностью к облучению тех и других. При облучении смеси фагов и бактерий первые реагируют так же, как и последние, т. е. остаются устойчивыми или разрушаются в зависимости от того, что происходит с соответствующими бактериями. Дальнейшие работы в этом направлении выполнены японскими исследователями .
В общем выяснилось, что инактивация бактериофагов является функцией их величины: бактериофаги, достигающие 15 т«, очень быстро инактивируются, более мелкие виды являются устойчивыми. Пока неясно, связано ли это с более сложной и потому легче нарушаемой формой крупных бактериофагов или дело в том, что при применявшихся до сих пор ультразвуковых частотах могут разрушаться только частицы, превышающие определенную величину.
Неоднократно делались предположения о стерилизации при помощи ультразвука таких жидкостей, как молоко, вода и т. п. . Однако практическое значение эти предложения могут получить только в том случае, если удастся создать аппаратуру, позволяющую непрерывно облучать ультразвуком протекающую жидкость.
Мы уже указывали выше, что разрушение бактерий и вирусов под действием ультразвука, происходящее без повышения температуры или добавления химических веществ, даег возможность получать создающие активный иммунитет вакцины или антигены. Это показали уже в 1936 г. Флосдорф и Чамберс и в 1938 г. Чамберс и Вейль , когда они после облучения пневмококков нашли в растворе вещество, которое является антигеном и стоит в одном ряду с постоянным специфическим антигеном пневмококка и его капсулярным веществом.
Дальнейшие работы в этом направлении вели Боско , Браусс и Берндт , Эльпинер и Шёнкер , Лёвенталь и Хопвуд , Штумпф, Грин и Смит 12020], Кресс , Кнапп , Замбелли, Ангела и Кампи , а также многие японские исследователи . Например, опыты Касахара и сотрудников
показали, что животные, которым вводился облученный вирус полиомиелита, не только оставались здоровыми, но у них в результате прививки появлялся иммунитет. Животные, которым многократно вводился облученный вирус
Фиг. 606. Ультразвуковая центрифуга
бешенства, оставались здоровыми и обнаруживали иммунитет при повторном заражении вирулентным вирусом бешенства.
Кресс провел работу по вакцинации против Brucella abortus и туберкулеза. Этот исследователь придерживался взгляда, что при правильной дозировке ультразвука можно так изменить природу бактерий, что они потеряют, например, свою способность вызывать выкидыш; это дало бы возможность получать вакцины для предохранительных прививок, создающих сильный иммунитет. Положительные результаты дали также исследования иммунобиологических свойств облученных взвесей бактерий (стафилококки, стрептококки, бациллы Фридлендера), проведенные Замбелли, Ангела и Кампи .
Для того чтобы при извлечении ультразвуком ферментов, гормонов, вирусов и т. п. при обычной температуре из животной и растительной клетки сочетать механическое воздействие ультразвука с центрифугированием, Жирар и Маринеско поместили ультразвуковой излучатель в ротор ультрацентрифуги Ген-рио - Гугенара1). На фиг. 606 показана схема
х) О конструкции и способе действия этой ультра-цеитрифуги см., например, Е Henriot, Е. Н и-guenard, Compt. rend., 180, 1389 (1925); Journ.
Phys. Rad., 8, 433 (1927); J. Beams, Rev. Sci. Instr. (N. S.), 1, 667 (1930); а также J. Beams, E. P i c-kels, Rev. Sci. Instr. (N. S.), 6, 299 (1935).
этой ультразвуковой центрифуги, приспособленной для медицинских и химических целей. В полости Н ротора R диаметром 10 см содержится приблизительно 85 см3 жидкости. Ротор вращается со скоростью 615 об/сек. на воздушной подушке в конусе К В последний по воздухопроводу L подается воздух под давлением 4 атм. На поверхности ротора укреплена пластинка пьезокварца Q толщиной 4 мм (собственная частота 717 кгц). Одним электродом является сам ротор, другим - расположенная на небольшом расстоянии над ним пластинка Р.
В заключение можно сказать, что применение ультразвука представляет для бактериологов очень перспективную область исследования.
5. Лечебное применение ультразвука
Польман первый еще в 1939 г. указал на терапевтическое действие ультразвука и вместе с Рихтером и Паровым 11623] успешно применил его при лечении ишиаса и плексита. После 1945 г. в медицинской литературе появилось много сообщений об излечении, достигнутом при помощи ультразвука. Относящиеся сюда работы отмечены в библиографии звездочкой. Останавливаться на отдельных работах (их число достигает 980) значило бы далеко выйти за рамки данной книги. Поэтому на основе некоторых, наиболее характерных примеров будет дан только общий очерк значения ультразвука в медицине. Читателя, особенно интересующегося этими вопросами, можно отослать к превосходной книге Польмана «Ультразвуковая терапия» , к работе Кёппена «Применение ультразвука в медицине» , а также к сводному обзору Лемана «Ультразвуковая терапия и ее основы»-. Другие обзорные работы даны в библиографии .
Если вспомнить все, что было сказано выше о разнообразных эффектах, вызываемых ультразвуковыми волнами, то станет ясно, что высокочастотные механические колебания могут оказать
определенное влияние на пораженные болезнью и здоровые части человеческого тела. Так, звуковые колебания производят массаж клеток и тканей. Этот массаж гораздо эффективнее, чем хорошо известный вибрационный массаж или массаж под водой, и, несомненно, приводит к лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Поэтому неоднократно (Ладебург , Дитц ) предлагалось комбинировать действие ультразвука с обычным массажем и особенно массажем под водой.
Следует указать также на тепловой эффект - нагревание ультразвуком, которое в соответствии со сказанным в § 11 настоящей главы проникает на большую глубину и, главное, может быть четко локализовано. Далее, действие ультразвука существенно сказывается на структурных и функциональных свойствах протоплазмы.
Еще ранние исследования Френцеля, Хинс-берга и Шультеса , Флорстедта и Поль-мана , так же как и новые опыты Баум-гартла 12426, 2427], показали, что действие ультразвука стимулирует процессы диффузии через перепонки. Благодаря этому усиливается обмен веществ и повышаются регенеративные и регуляторные функции тканей. В настоящее время еще не ясно, имеет ли место при таких вызванных ультразвуком процессах диффузии прямое специфическое действие ультразвуковых волн, например давление на перепонки1). Возможно, что настоящая причина наблюдавшегося эффекта связана с происходящим в ультразвуковом поле изменением температуры. Хаген, Руст и Лебовский пытались выяснить этот вопрос путем изучения осмотического давления диализирующей перепонки при воздействии ультразвука и без него. Они не нашли никакого изменения скорости диффузии в облученных и необлученных перепонках, если температура оставалась постоянной (см. также ).
К сожалению, как опыты Баумгартла, так и опыты Хагена, Руста и Лебовского были проведены на мертвых перепонках, так что нельзя считать исключенным, что ультразвук оказывает влияние на процессы диффузии в поверхностных слоях живых клеток.
Для выяснения этого вопроса Леман, Беккер иЕнике исследовали влияние ультразвука на прохождение веществ через биологические перепонки. Они нашли, например, что под действием ультразвука значительно усили-
J) Такое толкование усиления процессов диффузии, как результата перепада давления, можно найти у Польмана .
вается прохождение ионов хлора через кожу лягушки, причем тепло не играет при этом существенной роли. Фейндт и Руст установили, что плазмолиз в растительных клетках усиливается при облучении. Кроме того, нельзя считать исключенным, что в соответствии с мнением Польмана ультразвук действует как физический катализатор, ускоряя процессы (например, обмен веществ путем диффузии), которые в нормальных условиях протекают медленно: «Все жизненные процессы, особенно нормальные, основаны на состоянии равновесия. Нарушение этого равновесия является уже зачатком заболевания. Как мы видели, действие ультразвука сводится к тому, что состояния, которые обычно устанавливаются медленно (равновесие, соответствующее здоровому состоянию), благодаря этому воздействию устанавливаются быстрее. Кроме того, облучение ультразвуком той интенсивности, которая используется для терапевтических целей, оказывает на здоровые нервы и здоровую ткань удивительно слабое влияние, в то время как больные органы и ткани заметно реагируют при такой же интенсивности ультразвука».
Нельзя также забывать о том, что ультразвук большой интенсивности вызывает гибель бактерий и других возбудителей болезней (см. ), коагуляцию белков, деполимеризацию нитевидных макромолекул, а также различные химические изменения. Однако в настоящее время еще не ясно, происходит ли в тканях при нормальных терапевтических дозах ультразвука кавитация, необходимая для возникновения указанных эффектов.
Недавно Леман и Херрик в результате очень тщательных опытов установили, что кровоизлияния (петехии), наблюдаемые в брюшине белой мыши при воздействии ультразвука, обусловлены кавитацией; если произвести облучение при более высоком внешнем давлении или если повысить частоту при той же интенсивности ультразвука, то благодадаря отсутствию кавитации будет отсутствовать и повреждающее действие. Оказалось также, что ультразвуковая гиперемия основана только на тепловом действии и не зависит от частоты и внешнего давления.
Согласно данным Деммеля и Хинтцельмана , особенно благоприятные результаты дает применение ультразвука при лечении невралгий и невритов (см. также ). Например, при наиболее часто встречающемся
неврите - ишиасе по статистике 1949 г.1), из 1508 больных 931, т. е. 62%, были излечены, в 343 случаях (22,6%) наступило улучшение и только у 70 больных не было отмечено никакого эффекта.
Неврит плечевого сплетения - очень часто встречающееся воспаление нервов, - как и профессиональные невриты (например, судорога скрипачей), а также невралгия затылочного нерва, хорошо поддаются лечению ультразвуком. Наоборот, при невралгиях тройничного нерва действие ультразвука вызывало улучшение только в отдельных случаях .
Очень хорошие результаты получил Хинтцельман при лечении ультразвуком таких ревматических заболеваний, при которых имеет место уменьшение эластичности тканей, а именно болезни Бехтерева и деформирующего спондилоза. При обеих этих болезнях облучение позвоночника приводило к значительному повышению эластичности тканей. При деформирующем спондилозе это выражается в увеличении подвижности позвоночника, а при болезни Бехтерева, кроме того, в выпрямлении тела, увеличении подвижности грудной клетки, увеличении дыхательного объема легких, уменьшении брюшного дыхания. Даже у больных, у которых рентгенологическая картина уже показывает типичные признаки склероза соединительной ткани, т. е. начинающегося обызвествления связочного аппарата, после интенсивного облучения позвоночника обнаруживается значительное улучшение.
О хорошем лечебном эффекте от применения ультразвука при этих заболеваниях говорят и другие авторы . Главная польза звуковых волн заключается в этих случаях, по-видимому, в массирующем действии, что приводит к улучшению крово- и лимфообращения и в свою очередь ведет к повышению эластичности набухших менисков позвоночника.
Согласно Хинтцельману , вызванное ультразвуком разжижение тиксотропных гелей может играть роль при излечении таких ревматических заболеваний, при которых анатомические изменения связаны с обеднением тканей водой (например, дегенерация внутрисуставных связок при spondylosis deformans и патологические процессы в соединительной и хрящевой тканях при болезни Бехтерева).
) Взято из книги Der Ultraschall in der Medizin (KongreBbericht der Erlanger Ultraschall-Tagung, 1949), Ziirich.
По Хинтцельману, при этом имеет место вызванное ультразвуковыми колебаниями межмицел-лярное перемещение воды в фазовых структурах и выделение тепла на границах фаз. Другие работы, посвященные действию ультразвука на такие ревматические заболевания, как артриты, артрозы и др., приведены в библиографии .
Согласно Шольтцу и Хенкелю , астма и эмфизема также принадлежат к заболеваниям, которые с успехом можно лечить ультразвуком. Интересно отметить, что при лечении больных астмой звуковые волны, которые, как известно, плохо проникают сквозь ткани, содержащие много воздуха, распространяются вдоль альвеолярных перегородок, оказывая здесь такое же спазмалитическое действие, как и в других частях тела. Относительно лечения ультразвуком астмы сообщают Анстетт , Бунсе и Мюллер
, Экерт и Потен (см. также ).
По Хинтцельману , довольно часто встречающиеся предменструальные спазмы матки, а также спастические запоры снимаются при соответствующем воздействии ультразвука (см. также ). Винтер и Хинтцельман лечили ультразвуком многие случаи контрактуры Дюпюипрена. После нескольких сеансов продолжительностью 5 - 10 мин. отмечалось увеличение подвижности больного пальца, уменьшение отечности и болезненности, а также повышение эластичности кожи (см. также
).
Согласно Деммелю , ультразвук хорошо применять при лечении переломов позвонков: действие звуковых волн уничтожает контрактуру, которая сопровождает каждый костный перелом, и благодаря улучшению кровоснабжения костной и других тканей приводит к затуханию воспалительных процессов 12555, 2961, 3348, 3351, 4710]. О дальнейшем применении ультразвука в хирургии см. .
Неоднократно описанное при применении ультразвука улучшение крово- и лимфообращения в тканях давало основание использовать ультразвук также при лечении плохо заживающих язв. По статистике 1949 г.1) из 256 случаев язв голени (Ulcus curts) при действии ультразвуком в 55,8% случаев наступило излечение, а в 19,2% - улучшение (см., например ). Точно так же от-
мечалось благоприятное действие ультразвука на трудно заживающие it повреждения кожи, вызванные рентгеновскими лучами .
Бухтала удалял при помощи ультразвука кожные бородавки; звуковые волны от источника через восковой шар диаметром 1 см воздействовали непосредственно на бородавку. После включения источника ультразвука воск расплавляется и погруженная в восковой фонтанчик бородавка в течение 40 сек. очень сильно нагревается. Через несколько дней бородавка отпадает, а место, на котором она находилась, заживает без всякого рубца. О дальнейшем применении ультразвука в дерматологии см. .
Во многих работах изучалось действие ультразвука на злокачественные опухоли - карциномы и саркомы. Уже в 1934 г. Накахара и Кф-баяси облучали опухоли мышей. Влияния на подкожную опухоль не было обнаружено, но рост имплантированной непосредственно в кожу опухоли был стимулирован даже после единичного облучения. Позже Хаяси и Хи-рохаси и Хаяси .
Хорват в 1944 г. первый использовал ультразвук для воздействия на саркому человека. Ему удалось вызвать обратное развитие и исчезновение кожных метастазов. Облучение ультразвуком с частотой 800 кгц производилось таким образом, что источник звука вг течение 15 мин. совершал круговое движение над опухолью. Контактным веществом служила индифферентная рентгеновская мазь. После облучения обнаружены гиперемия и появление небольшого отека; кроме того, образовалось несколько пузырей, напоминающих пузыри при юоге; через несколько дней они подсохли. Через 8 дней после воздействия опухоль оказалаеь4слегка вдавленной, а через 4 недели на ее месте образовался нежный рубец. Гистологическое исследование уже через 3 дня после облучения обнаружило полную фрагментацию опухолевых клеток.
Дайрофф и Хорват указывают, что в этих случаях гистологически обнаруживаются обломки разрушенных саркоматозных клеток опухоли, причем отмечаются резкие отличия от тех изменений, которые появляются при облучении клеток опухоли радием или рентгеновскими лучами. Эти последние воздействия, как известно, вызывают дегенерацию клеток при сохранении ими, однако, нормальной структуры; в этих случаях нет разрушения клеток с образованием обломков. Через несколько дней после облучения ультразвуком клетки опухоли полностью исчезают и образовавшиеся в тканях пустоты заполняются соединительной тканью.
Хорват ** применяя описанный в п. 1 настоящего параграфа метод передачи звука от источника через воду, получил также хорошие результаты при облучении раковых опухолей (плоскоклеточная и базальноклеточная карциномы). Деммель и Кемпер , а также Вебер сообщают о нескольких случаях излечения кожного рака в результате воздействия ультразвука.
Однако наряду с этими положительными результатами имеется целый ряд случаев, в которых облучение ультразвуком карцином кожи не дало никакого эффекта . Пока остается еще не ясным, поддаются ли и в какой мере большие, лежащие в глубине тела опухоли избирательному действию ультразвука. (Относительно воздействия ультразвука на язвы желудка и сходные внутренние очаги заболевания см., например, .) Точно так
же открытыми остаются вопросы о наиболее подходящей интенсивности и продолжительности облучения, а также о выборе нужной для получения лечебного эффекта частоты звука. Далее пока еще ничего нельзя сказать о стойкости излечения. Вообще нужно отметить, что в настоящее время мы еще слишком мало знаем о специфическом действии ультразвуковых волн на больные клетки. При ультразвуковой терапии наряду с чисто механическим и тепловым действиями должны, несомненно, играть роль также химические и коллоидно-химические процессы. По-видимому, успешными оказались новые опыты Вебера и Цинка с комбинированным рентгеновским и ультразвуковым облучением.
Предметом многочисленных исследований было действие ультразвука на различные ткани и внутренние органы животных и человёка. Уже в 1940 г. Конте и Делоренци обнаружили особенно большую чувствительность к ультразвуку мозга и селезенки. Менее чувствительны фибробластические, миелобластические и эндотелиальные ткани, а наибольшей устойчивостью обладают эпителии. Другие данные относительно влияния ультразвука см. в следующих работах: на селезенку , на печень 13295], на почки , на мозг , на отдельные ткани и мышцы .
Относительно применения ультразвука в гинекологии сообщается в следующих работах: .
В отдельных случаях ультразвук применялся и при лечении глазных болезней, например с целью вызвать просветление помутневшего стекловидного тела или рубцов на роговице, а также для лечения длительно незаживающих воспалений роговицы и сетчатки. Однако имеющиеся до сих пор результаты опытов на животных , так же как и немногочисленные данные о действии на человеческий глаз , еще совершенно недостаточны для того, чтобы сейчас получить даже относительно ясное представление о возможности терапевтического применения ультразвука в офтальмологии .
Ультразвук применялся также в различных случаях при лечении болезней уха. В 1927 г. Фосс пробовал лечить хроническую тугоухость (отосклероз) при помощи сконструированного Мюльвертом ленточного теле-
фона (см. гл. II, § 3) путем облучения уха ультразвуком с частотой 30 - 65 кгц\ при этом в отдельных случаях Фосс получил временное улучшение. Эти опыты как будто с положительным результатом были повторены затем Гаммом и Диссбахером . В то же время Копилович и Цукерман сообщают о благоприятных результатах действия ультразвуковых волн, полученных при помощи магнито-стрикционного излучателя, при лечении хронического воспаления среднего уха и спаечных процессов, в то время как при лечении отосклерозов не было отмечено никакого улучшения. Однако Френцель, Гинсберг, Шультес и Шейф не смогли подтвердить этих данных о лечебном действии ультразвука. Сила звука, создаваемая ленточным телефоном, слишком мала, чтобы вызвать через воздух глубоко проникающее в ухо воздействие, как это показал в очень обстоятельной работе Первитцкий .
После того как Ройтер в 1932 г. снова сообщил о положительных результатах лечения, дальнейшие исследования были проведены только в 1948 г. Витом , работавшим с частотой 500 кгц и интенсивностью 0,3 - 0,5 вт/см2, они дали у различных пациентов устранение субъективных ушных шумов и отчетливое улучшение способности слышать шепот. Вите , затем недавно Менцио и Скала , Портман и Барбе , а также Замбелли , пользуясь ультразвуком, получили лечебный эффект при болезни Меньера, ушных шумах, хроническом отите и отосклерозе. В заключение нужно сказать, что полученные до сих пор клинические данные еще очень противоречивы; достоверные выводы могут быть сделаны только на основанйи большего материала, чем тот, который мы имеем в настоящее время.
Опыты облучения уха животных, главным образом с целью повреждения органа слуха ультразвуком, были проведены Герстнером .
Дальнейшие работы о влиянии ультразвуковых волн на ухо приведены в библиографии , в которых показано, что звуковые колебания с частотой 20 - 175 кгц вызывают в ухе восприятие звука, если магнитострикционный излучатель своей излучающей поверхностью прикладывается к определенным участкам головы. Поэтому обычное утверждение, что для человече-
екого уха верхняя граница слышимости соответствует частоте 20 кгц, должно быть дополнено указанием, что при костной проводимости орган слуха человека может воспринимать и более высокие частоты (см. также ).
Во многих работах (Бек , Борвитцкий , Элстерман и Хардт , Гальсшейдт, Хольфельд и Рейнфальд , Герман , Кнаппворст , Лафоре ,Пролл , Шлодтман , Виллерт ) имеются данные относительно использования ультразвука при лечении болезней рта, зубов и челюстей. При этом были получены благоприятные результаты при миогенном сжатии челюстей (тризме), послеоперационных невритах, остром синусите, простых гингивитах, так же как при размягчении и быстрой резорбции остаточных уплотнений и ликвидации воспалительных процессов. Бесполезным оказалось применение ультразвука при лечении пульпитов, гранулой, цист и хронических артритов.
Хенкель изучал влияние ультразвука на свойства зубоврачебного цемента и установил, что облучение ультразвуком повышает твердость цемента и увеличивает его способность противостоять коррозии (см. § 6, п. 3 настоящей главы). В патенте Крамера предлагается включить магнитострикционный ультразвуковой излучатель в число зубоврачебных инструментов.
Большое число (работ посвящено действию ультразвука на нервную систему. Как следует из обзорной статьи Штулфаута в книге Польмана , весьма вероятно, если не достоверно, что в получении лечебного эффекта при воздействии ультразвука решающую роль играет вегетативная нервная система. Это мнение подтверждается тем обстоятельством, что известны случаи излечения, основанные не на прямом действии ультразвука на очаг болезни, так как последний находился далеко от места облучения. Это заставляет предполагать, что ультразвук влияет на организм через рефлекторную дугу. Согласно Шмитцу и Гофману , здесь могут существовать два пути. Во-первых, возможно, что звуковая энергия, воздействующая на какие-либо клетки, вызывает раздражение, которое само по себе еще не имеет лечебного действия и только ответная реакция больного организма на это раздражение, идущая через вегетативную нервную систему, определяет терапевтический эффект. Во-
вторых, возможно, что звуковые колебания прямо воздействуют на элементы нервной системы и непосредственно обусловливают повышение регулирующих влияний последних на функции данного органа. Для разрешения этих вопросов Шмитц и Гофман изучали на изолированных нервах лягушки, существует ли специфическое действие ультразвука на нерв и каков его механизм. Путем сравнения кривых токов действия нервов при воздействии ультразвука и тепла, опытов с раздражителями и микроскопических исследований было выяснено, что возбуждение нервов ультразвуком или теплом невозможно без повреждения тканей. Нагревание нерва поглощенной звуковой энергией вызывает такую же блокаду нервной проводимости возбуждения, как и обычное тепло. Вызванная облучением ультразвуком разность температур между внутренними участками нерва и окружающей тканью обусловливает блокаду нервов; тем самым становится возможным невро-терапевтический эффект. *».
В результате тщательных опытов Фрай и сотрудники установили, что у лягушек можно вызвать паралич задних конечностей путем кратковременного облучения области спинного мозга ультразвуком с частотой 1 мггц и интенсивностью 30 - 70 вт/см2. Этот эффект зависит от амплитуды ультразвука, а при импульсном облучении (см. ниже) - от длительности импульсов и их числа. Патологическое действие оказалось не зависящим от внешней температуры и гидростатического давления. Эффект не исчезал даже при давлении 20 атм, следовательно, он не мог быть вызван кавитацией. Более того, воздействие ряда очень слабых доз ультразвука, следующих р интервалами в несколько минут, ведет к параличу. Это значит, что аккумуляция ультразвуковых ударов, вызывающих в отдельности обратимый биологический эффект, приводит к необратимым повреждениям. Явления нагрева при этом не играют, по-видимому, никакой роли.
Фрай и сотрудники, далее, считают, что они установили различие чувствительности к ультразвуку периферической и центральной нервных систем. Только в последней наблюдается отмеченное выше повреждение при воздействии большими интенсивностями ультразвука. Пока не ясно, воздействует ли ультразвук на клеточные оболочки или на внутренние участки клетки. Во всяком случае, для нейроанатомии возникает интересная возможность вызывать локальные повреждения в центральной нервной системе. Последнее впервые было осуществлено Линном
и сотрудниками путем воздействия сфокусированного ультразвука. Недавно Уолл, Фрай, Степенс, Туккер и Леттвин повторили эти опыты. На обнаженном мозге кошки удалось получить точно локализованные глубокие зоны разрушения, причем удалось повредить только большие нейроны, в то время как кровеносная система и окружающие ткани остались нетронутыми.
В этой связи следует, между прочим, указать, что, по данным Коронини и Лассмана , при микроскопическом изучении нервной ткани после воздействия ультразвука отмечается усиление импрегнации этой ткани серебром по Гратцлю. Облучение разрыхляет ткань, благодаря чему в нее лучше проникает раствор азотнокислого серебра; поэтому серебро в более короткий срок и более интенсивно откладывается в нервной ткани, чем это имеет место при употреблявшихся до сих пор методах.
Очень важным является часто возникавший вопрос о том, сопровождается ли повреждающее влияние ультразвука последействием, как это имеет место при облучении рентгеновскими лучами. Здесь прежде всего нужно сказать, что ультразвуковые волны существенно отличаются от рентгеновских лучей в том отношении, что их действие не аккумулируется.
Чтобы выяснить вопрос об ультразвуковых повреждениях, Польман уже в 1939 г. подверг действию ультразвуковых волн возрастающей интенсивности свои пальцы, на которых благодаря отражению от костей может быть достигнута особенно большая интенсивность воздействия. Облучение продолжалось до тех пор, пока не было обнаружено заметного эффекта. Он выразился в красном отеке толщиной 3 - 4 мм, который, однако, исчез уже через два часа, не оставив никаких следов. Кроме того, чтобы показать, что при частом воздействии ультразвука меньшей интенсивности не возникает никаких латентно развивающихся повреждений, Польман в течение 8 недель ежедневно в продолжение 5 мин. облучал ультразвуком мякоть ладони; он не обнаружил какого-либо повреждающего действия (см. также ).
При больших интенсивностях на коже могут образоваться пузыри; однако это не ожоговые пузыри, возникающие при чрезмерном воздействии тепла, а поднятия эпидермиса, которые через несколько дней проходят. При ультразвуковой терапии такие повреждения должны быть исключены хотя бы потому, что они связаны с неприятными для пациента болевыми ощущениями. Поэтому, если иногда в литературе
попадаются сообщения о повреждениях при терапевтическом применении ультразвука, то это почти всегда объясняется ошибками в работе или слишком большой дозой. Из упоминавшихся выше в этом пункте опытов Лемана и Херрика следует, что при интенсивности 1 - 2 вт/см2 при непрерывном облучении или 4 вт/см2 при массирующем воздействии в тканях не отмечается кавитации, которая могла бы повести к повреждающему действию.
Первой предпосылкой для того, чтобы избежать ультразвуковых повреждений, является знание противопоказаний к применению ультразвука . Согласно Пецольду , следует исключить воздействие ультразвука на беременную матку от зачатия до родов, на половые железы, паренхиматозные органы, а также на области передней и задней проекций сердца и шейных ганглиев у сердечных больных. Далее, абсолютно противопоказано облучение злокачественных опухолей головного и спинного мозга, а также применение ультразвука при симптомных невралгиях (с невыясненным диагнозом), эмфиземобронхитах и инфильтративных процессах в легких. Согласно Бухтала , после облучения молодых растущих костей наступают необратимые повреждения эпифизов (см. также Барт и Бюлов , Манатцка , Майно , Паслер и Зейлер ). Дальнейшие данные относительно противопоказаний, побочных эффектов и возможности повреждений при ультразвуковой терапии можно найти в следующих работах: .
fB современных терапевтических установках рукоятки покрыты поглощающей ультразвук резиновой губкой, благодаря чему исключена возможность перехода ультразвуковых волн из головки излучателя в руку работающего и тем самым нанесения повреждений последнему .
В этой связи интересны некоторые данные американских авторов о действии распространяющихся в воздухе очень интенсивных звуковых волн, излучаемых современными ультразвуковыми сиренами или мощными свистками. Согласно Аллену, Фрингсу и Руднику , а также Элдреджу и Парраку , лица, подвергающиеся действию таких волн, жалуются на недомогание и легкое головокружение; последнее может быть вызвано нарушением чув-. ства равновесия. Если при воздействии мощного ультразвука держать рот открытым, то в нем появляется чувство покалывания, а в носу
появляется сходное, но значительно более неприятное ощущение. Почти всегда лица, подвергшиеся воздействию таких волн, так же как, между прочим, лица, работающие вблизи реактивных самолетов , а также с кузнечными и пневматическими молотами и другими производящими шум машинами1), испытывают необычайную усталость, подлинная причина которой остается пока невыясненной. Дэвис сообщает о таких же явлениях, которые часто называют «ультразвуковой болезнью» . Возможно, как это предполагает Тиллих , что вызываемое ультразвуком снижение сахара крови является причиной наблюдаемых у облученных усталости и потребности в сне (см. также Гроньо ). С точки зрения медицины представляет интерес большое число работ, сообщающих о результатах действия ультразвука на различные вещества (в частности, жидкости), входящие в состав организма животных и человека. После того как уже в 1936 г. Хорикава изучал изменение белков крови после облучения селезенки или печени, а Сибуя исследовал влияние ультразвука на физические свойства крови и содержащейся в ней каталазы, в последнее время выполнен еще ряд исследований о влиянии ультразвука на кровь человека и животных. В части работ изучалось действие ультразвука на сыворотку крови in vitro , в других работах исследовалась кровь людей и животных, подвергнутых облучению .
В облученной in vitro сыворотке в основном обнаружена денатурация белков плазмы, как это уже сообщалось в 9 настоящей главы на основании данных Прюдома и Грабара. Вебер с сотрудниками специально занимались вопросом о том, обнаруживаются ли вызываемые ультразвуком изменения белков сыворотки также в обычных серологических реакциях и наблюдаются ли при этом известные закономерности, как это имеет место, например, у сифилитиков.
О гемолизе, вызванном воздействием ультразвука, подробно говорилось в п. 3 настоящего параграфа; здесь нужно только добавить, что
х) Бюгар, Геннек и Зелц изучили частоту ультразвука, испускаемого круговой пилой, строгальным станком, газовой турбиной и различными самолетами, находящимися на земле. Такие же измерения с шумными машинами и бытовыми приборами выполнили Шавасс и Лемаи , а с турбореактивными самолетами - Госе .
при дозах нормальной ультразвуковой терапии in vivo гемолиз наступить не может (см., например, Руст и Фейндт ). Влияние ультразвука на лейкоциты in vitro исследовали Штулфаут и Вуттге , Вит и Йоконава . Эти авторы установили, что некоторый процент лейкоцитов исчезает при облучении раньше, чем проявится какое-либо изменение эритроцитов. Устойчивость лейкоцитов к воздействию ультразвука у людей в возрасте старше 50 лет выше, чем в более молодые годы, и резко снижается при лихорадочных состояниях. Дитц показал, что кривые зависимости устойчивости лейкоцитов от интенсивности ультразвука характерно отражают физиологические и патологические процессы в организме, что, возможно, является основой для разработки соответствующей методики исследования.
Согласно Штулфауту , в облученной сыворотке крови увеличивается количество связанного билирубина. Хунцингер, Зюльман и Виоллье исследовали действие ультразвука на свертываемость плазмы, а также на синовиальные жидкости. В первом случае обнаружено увеличение времени свертывания, по-видимому, в результате дезактивации про-тромбиновой системы (см. также ); во втором случае наблюдалось уменьшение вязкости. В США в настоящее время для измерения свертываемости крови широко используется описанный в гл. IV, § 2, п. 7 ультразвуковой вискозиметр «Ультравискозон». При этом оказывается возможным на основании различий во временной зависимости вязкости проб свертывающейся крови (гематосонограммы) идентифицировать различные группы психических больных , Бюсси и Дова в опытах на крысах in vivo смогли установить значительное изменение картины крови после облучения. Эйлер и Скарцинский нашли, в нрови облученных животных увеличение содержания пировиноградной кислоты. Шпехт, Рюлике и Хаггенмиллер при взятии, крови из облучавшегося места (например, нижней конечности) наблюдали увеличение числа лейкоцитов и наличие сдвига их формулы влево, вплоть до появления миэлоцитов. При более длительном облучении происходило исчезновение лейкоцитов (см. также ).
Штулфаут нашел после облучения уменьшение общего количества белков крови, а также сдвиги во взаимоотношении отдельных белковых и глобулиновых фракций, что говорит об изменении их структуры. Штулфаут отсюда сделал заключение, что облучение человеческой ткани, например мышечной, приводит к аналогичным изменениям структуры коллоидных составных частей клетки. Тем самым оказывается возможным осуществить при помощи ультразвука своего рода направленную или специфическую раздражающую терапию (см. также сводные обзоры Лемана и Вебера ). Хорникевич, Граулих и Шульц установили, что после облучения в здоровых и больных тканях изменяется концентрация водородных ионов pH.
Действие ультразвука на дыхание тканевых и кровяных клеток исследовали Овада , а также Леман и Форшютц ; Цуге изучал изменение межуточного углеводного обмена в печени.
Нужно еще упомянуть о нескольких интересных с медицинской точки зрения работах по действию ультразвука. Кузано изучал действие ультразвука на фармакологические свойства гормонов и вегетативных ядов. Сосудосуживающее действие адреналина заметно уменьшилось, возбуждающее матку действие уменьшилось незначительно, а влияние на кишечник атропина и пилокарпина совершенно не подверглось изменению в результате облучения. Другие работы, главным образом японских авторов, приведены’ в библиографии .
Касахара и сотрудники изучали действие ультразвука на ферменты молока. Наряду с гомогенизацией молока, обусловленной уменьшением размеров жировых капель (см. также и § 5, п. 1 настоящей главы), наблюдается уменьшение образования сливок и разнообразное влияние на отдельные ферменты, в частности на оксидазы, а также разрушение аскорбиновой кислоты (витамина С) (см. также ).
Сведения об изменении под действием ультразвука аскорбиновой кислоты в водном растворе, сыворотке и крови содержатся в старой работе Морена , в которой показано, что облучение ультразвуком вызывает окисление аскорбиновой кислоты, если раствор ее содержит воздух или кислород (см. также Касахара и Ка-вашима ).
Гарей и Беренчи нашли, что бензо-пирен после облучения теряет свои канцерогенные свойства.
Чамберс и Флосдорф обнаружили дезактивацию пепсина ультразвуком. Мийо и Прюдом также нашли, что содержащиеся в кристаллическом пепсине протеолитические ферменты пепсин и катепсин при облучении
в водном растворе дезактивируются в результате окисления. К аналогичным результатам пришли Неймарк и Мошер . Согласно данным Вольфа , облучение ультразвуком снижает способность инсулина уменьшать содержание сахара в крови; при длительном облучении это свойство инсулина полностью исчезает. Аналогичные результаты получил Швирс .
Гор и Тиле нашли, что эргостерин разрушается при облучении ультразвуком; в качестве конечного продукта получилось вещество темно-желтого цвета, химическая природа которого пока еще не выяснена. Данные о действии ультразвука на некоторые интересующие медиков вещества (например, дигитонин, лактофлавин, пенициллин, туберкулин, а также различные витамины) содержатся в следующих работах: .
Вряд ли нужно особенно подчеркивать, что диспергирующее, эмульгирующее и окисляющее действия ультразвуковых волн будут играть в будущем большую роль при приготовлении лекарств . Так, например, используемый при лечении хронического суставного ревматизма и туберкулеза ультрахризол представляет собой полученный путем озвучивания 0,25-процентный микродисперсный коллоидный раствор золота. В качестве другого примера можно указать на данные Кини , согласно которым при помощи ультразвука удается так тонко диспергировать адреналин в оливковом масле, что образуется препарат, позволяющий получить длительное улучшение состояния астматиков. Гор и Ведекинд сообщают, что не исключена возможность увеличить при помощи облучения ультразвуком усвояемость пищевых жиров (маргарина и др.). Майерс и Блумберг приготовили при помощи ультразвука жировые эмульсии для внутривенного вливания.
В этой связи нужно рассмотреть упоминавшееся уже в § 5, п. 2 и в § 12, п. 4 настоящей главы экстрагирующее действие ультразвука, которое в первую очередь заключается в том, что извлечение веществ из растительных и животных клеток происходит без значительного нагревания . Новые опыты Катте и Шпехта показывают, что при помощи ультразвука можно, например, экстрагировать из трупов органические яды для судебно-медицинских целей. Так, удалось изолировать в достаточных для взвешивания количествах даже легко распадающееся производное барбитуровой кислоты - эвипан. Пробы, подвергнутые дей-
ствию ультразвука, дают вдвое больший выход яда, чем при употребляющихся обычно методах.
Ультразвук может найти практическое применение в гистологической технике, что видно из приведенных выше в этом пункте данных Ко-ронини и Лассмана о новом методе импрегни-рования тканей серебром. Бухмюллеру также удалось путем применения ультразвука значительно ускорить заливку кусочков органов в парафин без нагревания и в условиях полного сохранения структуры тканей.
Холланд и Шультес , а также Флорстедт и Польман впервые показали, что если использовать мази и другие жидкие медикаменты в качестве промежуточной среды между источником ультразвука и кожей, то под действием высокочастотных колебаний эти вещества особенно глубоко проникают в кожу. Другие работы, относящиеся к этому вопросу, приведены в библиографии . В § 5, п. 6 настоящей главы было уже указано на возможность использования туманов, получаемых при помощи ультразвука, в ингаляционной терапии, ввиду их высокой дисперсности.
Кроме рассмотренных выше собственно терапевтических применений ультразвука, он может быть использован в медицине также и в диагностических целях; на это указывали уже в 1940 г. Гор и Ведекинд . В 1942 г. Дюзик сообщил об ультразвуковом диагностическом методе исследования мозга. Исследуемый объект пронизывается слабым остро направленным ультразвуковым пучком (/ - 1,25 мггц), и интенсивность проходящего ультразвука регистрируется фотографически при помощи звукоприемника, усилителя и неоновой лампочки. Источник и приемник звука жестко укреплены друг против друга и при их совместном «построчном» движении получается картина, состоящая из темных и светлых участков (гиперфонограмма), на которой места расположения заполненных ликвором полостей, так называемых желудочков, вследствие их меньшей по сравнению с массой мозга способностью поглощать ультразвук выглядят светлыми на темном фоне. Изменение расположения желудочков по сравнению с нормальной картиной дает возможность обнаружить наличие опухоли мозга и поставить диагноз.
Опыты, проведенные в последнее время этим методом на живом мозге в США Хютером, Болтом, Баллантайном и другими Исследователями , а в Германии Гюттнером, Фидлером и Петцольдом , показали, однако, что получаемые таким способом «ультрасонограммы» страдают существенными недостатками, обусловленными чисто физическими причинами. Череп, наполненный водой, вследствие разной проницаемости различных его костей для ультразвука дает картину, сходную с той, которую дают желудочки мозга. Поэтому трудно установить истинное расположение этих желудочков. Согласно сообщению Хютера и Розенберга , в Америке пытались улучшить методику Дюзика, производя сквозное облучение черепа при различных частотах и, следовательно, при неодинаковом поглощении ультразвука костями и содержимым черепа и выделяя из полученных картин расчетным путем при помощи электронного счетного устройства детали, обусловленные только содержимым черепа.
Данные о поглощении ультразвука костями и тканями человека можно найти в работах Эше , Фрая , Хютера , а также Тейсмана и Пфандера . Исследования проникновения ультразвука через височные кости выполнили Зейдль и Крейси .
Для полноты обзора нужно отметить, что Денье также сконструировал ультра-соноскоп для того, чтобы с его помощью определять расположение таких внутренних органов, как сердце, печень, селезенка и др., а также устанавливать происходящие в них изменения. Кейдель пытался разрешить ту же проблему при помощи импульсного метода.
Людвиг пытался обнаружить в теле человека желчные камни при помощи ультразвука (см. также ).
Кейдель использовал метод сквозного облучения ультразвуком для регистрации изменений в кровенаполнении человеческого сердца. При этом пучок ультразвука был направлен таким образом, что при движении измеряемого органа менялась длина пути, на котором происходит поглощение ультразвука. Получение данных об изменении объема сердца возможно, например, при сквозном облучении грудной клетки. При этом интенсивность падающего на приемник ультразвука определяется отношением длины пробега его в крови и сердечной мышце к длине пробега в воздухоносной ткани легкого. Этим путем при помощи ультразвука можно получить кардиограмму.
Кейдель предложил ультразвуковой метод непрерывного определения содержания углекислоты в выдыхаемом человеком воздухе. Для этой цели пучок ультразвука (/ = 60 кгц) направляется перпендикулярно к трубке диаметром 2 см, а затем падает на пьезо-электрический приемник. Напряжение, отдаваемое последним, усиливается и регистрируется. Когда исследуемое лицо дышит через трубку, ультразвук поглощается в большей или меньшей степени в зависимости от содержания углекислоты, так как поглощение ультразвука в углекислом газе приблизительно на 10% больше, чем в кислороде, азоте или воздухе.
Согласно Кейделю , в физиологии может найти применение ультразвуковой манометр. Если заменить в обычном ультразвуковом интерферометре подвижный отражатель мембраной или пластинкой, то можно измерять их смещения, вызываемые изменяющимся давлением, по реакции на излучатель или при помощи специального звукоприемника. Этот прибор можно использовать для регистрации давления крови и т. д. Так как такой интерферометр можно сделать очень маленьким, то имеется перспектива применения такого прибора также для измерений внутри кровеносных сосудов.
В последнее время Уайлд и Рид пытались осуществить диагностику опухолей, например, в мозгу при помощи ультразвукового импульсного метода. При использовании ультразвука очень высокой частоты (15 мггц) и при очень коротких импульсах продолжительностью в несколько микросекунд можно, несмотря на очень малую глубину проникновения ультразвука этой частоты, получить отражения ультразвука от тканевых элементов, например мышечных волокон, отдельных слоев тканей и т. д. Эти отражения обнаруживаются на экране электронного осциллографа в виде ряда пиков. Так как атипичная ткань раковой опухоли отражает ультразвук сильнее, чем нормальная ткань, то описанный способ может служить для обнаружения опухолей.
Уайлд и Рид видоизменили для этой цели обычный рефлектоскоп (см. § 4, п. 2 настоящей главы) следующим образом. Отдельные отраженные импульсы модулируют яркость светового пятна на экране электронного осциллографа, т. е. сильный импульс дает более яркое, а слабый - менее яркое световое пятно. Располагая ось времени на экране вертикально и затем отклоняя ее синхронно на тот же угол, что и излучатель ультразвука, можно получить на экране картину, подобную приведенной на фиг. 607. На фиг. 607, а показана рефлектограмма здоровой ткани (груди), на фиг. 607, б - рефлектограмма злокачественной опухоли.
На фиг. 608 схематически показано устройство прибора. Собственно источник звука с вращающим механизмом помещается в цилиндри-
ческом сосуде длиной 9 см и диаметром 6 см, заполненном водой; закрывающая один его конец резиновая перепонка прижимается к исследуемому телу. Пока не ясно, в какой степени этот очень оригинальный метод оправдает себя на практике (см. также ).
Подводя итоги следует отметить, что, по имеющимся в настоящее время данным, применение ультразвука в медицине в очень многих случаях дало превосходный лечебный эффект.
Фиг. 607. Рефлектограмма здоровой ткани (а) и злокачественной опухоли (б).
Кроме приведенных выше работ, специалЬ ные методы использования ультразвука в медицине описаны в следующих работах: .
О показаниях и результатах ультразвуковой терапии сообщается в следующих работах: 1).
Нужно, однако, заранее предостеречь от применения ультразвука подряд при всех заболеваниях. Как было сказано выше, мы еще слишком мало знаем о причинной связи между первичным действием ультразвуковых волн и прямыми или косвенными следствиями, обусловливающими процесс излечения. Так как здесь речь идет о явлениях, происходящих в живом организме, которые с физической и химической стороны лишь с большим трудом, а иногда и вовсе не могут быть воспроизведены экспериментально, при объяснении успехов или неудач лечения в основном приходится ограничиваться догадками и гипотезами.
Выше в настоящем пункте мы указывали уже, какую разнообразную роль могут играть при медицинском применении высокочастотные ультразвуковые волны. Согласно имеющимся в настоящее время данным, многие случаи излечения в первую очередь обусловлены тепловым действием ультразвука. С другой стороны, многие случаи излечения заставляют признать, что, кроме теплового действия, существует еще другое специфическое действие ультразвука, определяющее получение терапевтического эффекта. Вопросу о механизме действия ультразвука при ультразвуковой терапии посвящены следующие работы: .
Нужно сказать, что очень трудно точно измерить и правильно дозировать ультразвуковую энергию, воспринятую, или, лучше сказать, абсорбированную, телом человека или животного. По этой причине часто в сообщениях об излечениях, достигнутых при применении ультразвука, и о неудачных случаях применения ультразвука отсутствуют точные сведения о действительно использованных дозах ультразвука. Поэтому нужно кратко остановиться на проблеме ультразвуковой дозиметрии.
С физической точки зрения под дозой ультразвука следует понимать количество ультразву-
*) Статистику полученных при помощи ультразвука случаев излечения можно найти в отчете съезда по ультразвуку в Эрлангене. Der Ultraschall in der Medizin, Ziinch, 1949, S 369, а также в книге Поль-мана , теоретически правильны; однако оказалось, что свойства облучаемой среды очень мало влияют на показания ультразвуковых весов. Можно легко установить, что попадающая в среду ультразвуковая энергия W зависит от волнового сопротивления среды рмСм* если учесть связь W с переменным напряжением U на излучателе или проходящим через источник ультразвука током /, то можно получить следующие формулы:
где t - длительность облучения и F - излучающая поверхность. Если для данного излучателя (E = const) поддерживать напряжение U или ток / постоянными, то излучаемая ультразвуковая энергия будет меняться в зависимости от волнового сопротивления среды
Петцольд, Гюттнер и Бастир определяли различными способами отношение волнового сопротивления тканей человеческого тела Zm к волновому сопротивлению воды и, как показывают данные табл. 116, нашли, что это отношение практически равно единице. Иными словами, играющее большую роль в ультразвуковой терапии волновое сопротивление тканей человеческого тела, начиная с кости, отличается не больше чем на ±10% от волнового сопротивления воды, определяющего условия измерения давления излучения при помощи весов. Эти данные совпадают с результатами, полученными в США Людвигом при измерении волнового сопротивления различных тканей животных и человека (табл. 117). Фрухт измерял скорость звука в различных органах,
х) Приведенные автором формулы для W неверны. Это легко обнаружить хотя бы из соображений размерности. В действительности формулы должны быть различными в зависимости от того, какой конкретный тип излучателя имеется в виду (магнитострикционный, пьезоэлектрический или др), и, во всяком случае, W является функцией частоты. Одиако все же удельная излучаемая энергия в существенной степени определяется величиной волнового сопротивления рщСм, и дальнейшие соображения автора остаются правильными.
Таблица 117
СКОРОСТЬ ЗВУКА, плотность И ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТКАНЕЙ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ
Гирке, Эстеррайхер, Франке, Паррак и Виттерн высказали теоретические соображения о проникновении ультразвуковых волн в тело человека и о распространении их в нем. Согласно их взглядам, волны распространяются в тканях человека, как в упруго-вязком сжимаемом теле, и могут рассматриваться на простой модели в виде колеблющегося в среде шара ; при этом образуются волны сжатия, сдвиговые волны и поверхностные волны. Для постоянных Ламе (см. гл. V, § 1, п. 1) получаются значения- o = 2,6-1010 дин/см2 и jj. = = 2,5-104 дин/см2; для сдвиговой вязкости (см. гл. IV, § 2, п. 6) получается значение около 150 пуаз. Пользуясь этими значениями, можно рассчитать состояние поверхности тела при падении на него ультразвуковых волн.
Петцольд, Гюттнер и Бастир показали, что при чаще всего применяемых в ультразвуковой терапии частотах 800 и 1000 кгц не наблюдается сколько-нибудь заметной обратной реакции, вызванной отражением на граничных поверхностях, и не происходит образования стоячих волн. Физические основания для этого заключаются в том, что коэффициент поглощения при указанных частотах относительно высок, так что даже в самом неблагоприятном случае - при облу-
чении лобной пазухи (слои кожа - кости - воздухоносная полость) - стоячие волны, вызывающие обратную реакцию на излучатель, отсутствуют. При этом, естественно, предполагается, что поверхность излучателя находится в полном акустическом контакте с кожей. Для этого необходимо, чтобы между рабочей поверхностью излучателя и кожей находилось достаточное количество жидкости, служащей связующей средой, и чтобы излучатель не перекашивался и не отходил от кожи. ?
При облучении в водяной бане соотношения не так просты. Если между излучателем и кожей находится слой воды в несколько сантиметров, то в случае недостаточного смачивания кожи может случиться, что часть излучаемой энергии не попадет в ткань, а будет диффузно рассеяна в воде. Точно определенных условий можно достигнуть только в случае более совершенного смачивания кожи в результате обмывания раствором мыла или спиртом.
При ультразвуковой терапии для врача важно также знать, что головка излучателя все время находится в надежном контакте с облучаемым телом. Это особенно важно в случае применения ультразвука для массажа, так как только при этом условии в тело будет введено количество энергии, отвечающее определяемому при помощи ультразвуковых весов. Такой контроль можно осуществить путем наблюдения при помощи специальных измерительных приборов напряжения на ультразвуковом излучателе или проходящего через него тока. Вводя в схему реле, можно сделать так, что при изменении этих величин будет гаснуть лампочка, расположенная на головке излучателя и находящаяся в поле зрения врача (терапевтическая установка фирмы «Доктор Борн», Франкфурт-на-Майне). Возможно также и такое приспособление, когда при неудовлетворительном контакте излучателя с телом выключаются встроенные в прибор электрические часы и отмечается только то время, в течение которого пациент получает, по меньшей мере, 60 - 70% прописанной ему ультразвуковой мощности.
Важно, чтобы прибор был возможно более чувствителен даже к незначительным нарушениям контакта излучателя с объектом. Согласно Гюттнеру1), лучшим из известных пьезоэлектрических преобразователей является вибратор из сульфата лития. Благоприятные значения его пьезоэлектрических констант (см. гл.
II, § 5, п. 2) позволяют получить интенсивность ультразвука 3 вт/см2 при рабочем напряжении, равном только 800 в, так что можно пользоваться довольно тонким гибким кабелем. При соответствующих размерах колеблющегося кристалла и переходной полуволновой пластинки можно получить колоколообразное распределение амплитуд на излучающей поверхности головки, что дает весьма однородное ультразвуковое поле перед головкой излучателя. Изменения акустического контакта с поверхностью тела в снабженной таким вибратором терапевтической установке фирмы «Сименс-Рейнигер Верке» (Эрланген) приводят в действие специальный акустический сигнал. Одновременно выключаются терапевтические часы и снижается напряжение на колеблющемся кристалле, чтобы не перегружать кристалл, пока часть его излучающей поверхности граничит с воздухом.
Для полноты изложения нужно указать, что Шмитц и Валдик , которые занимались вопросом о дозиметрии в ультразвуковой терапии, предложили чисто электрический метод определения ультразвуковой мощности, отдаваемой излучателем в среду. Для этой цели они измеряют при помощи разработанного Валдиком особого метода акустическую мощность при постоянном напряжении источника сначала при ненагруженной головке (излучение в воздух) и затем при нагруженной, т. е. когда головка прижата к облучаемому телу. По разности полученных значений можно вычислить ультразвуковую энергию, воспринятую облучаемым объектом. К сожалению, этот метод, результаты которого не зависят от того, поглощается ли ультразвуковая энергия на некоторой глубине полностью или часть ее отдается обратно источнику, слишком сложен, чтобы его можно было непосредственно использовать в терапии.
Нужно остановиться еще на одном вопросе, имеющем известное значение для дозировки ультразвука в терапевтических целях. Как было сказано в гл. IV, § 1, п. 2, ультразвуковое поле, создаваемое колеблющейся пластинкой, не является однородным, а образует более или менее сложную интерференционную картину (см., например, фиг. 260). Вдоль оси излучателя чередуются максимумы и минимумы (ближнее поле), различающиеся по интенсивности в 4 - 5 раз, и только на расстоянии
(D - диаметр излучателя, с - скорость звука) звуковое поле является относительно однородным (дальнее поле). Поэтому, например, возможно, что при биологических опытах на небольших организмах некоторые из них будут облучены ультразвуком большей интенсивности, чем другие. Так как для тканей глубина, на которой интенсивность падает вдвое при частоте 800 кгц, составляет примерно 4 см (см. табл. 113), то спадание, обусловленное поглощением, может в местах максимумов выравнять и даже пере-компенсировать интерференционную неравномерность. Все это относится только к непрерывному облучению; при обычно применяемом способе поглаживания тканей излучателем максимумы и минимумы поля в глубине ткани выравниваются (см. также ).
Приведенные выше соображения основываются на так называемой физической дозиметрии ультразвука, при которой речь идет о том, чтобы точно установить получаемую пациентом дозу. Однако такая дозиметрия еще ничего не говорит о биологическом действии. Вместе с тем для медиков и биологов наибольшее значение имеет как раз биологический эффект в облучаемой среде. Поэтому не было недостатка в попытках ввести биологическую дозиметрию ультразвука. Вельтман и Вебер поставили, как было упомянуто в п. 4 настоящего параграфа, обширную серию опытов по изучению влияния длительности облучения, интенсивности ультразвука, частоты и температуры на степень разрушения бактерий, чтобы иметь возможность точнее устанавливать дозу ультразвукового облучения (см. также ). К сожалению, проведение биологической дозиметрии при помощи бактерий связано со значительными трудностями. Кроме того, полученные in vitro результаты должны еще быть проверены на тканях животных и человека.
Поэтому Хорникевич использовал для биологической дозиметрии ультразвука измерение концентрации водородных ионов pH в подкожной ткани. Такое измерение, общепринятое в биологии, как чувствительный показатель различных тканевых изменений, позволяет установить общее действие ультразвука, являющееся суммой таких воздействий, которые ведут к нарушению изогидрии, изотонии и изоионии. Измерение pH дает возможность обнаруживать тончайшие изменения физико-химического состояния тканевой жидкости.
Наконец, Бройнинг предложил использовать для целей дозиметрии реакции, происходящие в содержащей воздух воде (выделение иода, образование Н202 или HN02). Все эти работы представляют собой лишь попытки соз-
дания биологической дозиметрии ультразвука, и нужны еще дальнейшие исследования, чтобы приблизиться к разрешению этой очень важной проблемы. Дальнейшие данные об ультразвуковой дозиметрии можно найти в следующих работах: 12397, 2403, 2628, 2938, 2998, 3025, 3073, 3207, 3247, 3298, 3339, 3399, 3472, 3767, 3768, 3786, 3789, 3790, 3795, 3941, 4137, 4184, 4217, 4259, 4281, 4347, 4464, 4465, 4745, 4758, 4821, 5060].
До сих пор при обсуждении вопросов медицинского применения ультразвука мы имели
в виду облучение волнами постоянной амплитуды, или интенсивности (непрерывный ультразвук).; Вместе с тем в последние годы применялись- различные способы импульсного облучения (импульсный ультразвук). В этом случае интенсивность скачком достигает значения, установленного для непрерывного ультразвука, но сохраняет его только короткое время и затем резко падает до нуля; после определенной паузы повторяются те же этапы. На фиг. 609 этот процесс изображен графически. Число импульсов в секунду называется частотой следования импульсов, обратная величина - периодом следования импульсов. Отношение длительности импульса к периоду следования называется скважностью; при прямоугольных импульсах скважность показывает, до какой степени уменьшается суммарное облучение по сравнению с непрерывным облучением.
В примерах, приведенных на фиг. 609, скважность равна 1: 5 и 1: 10. Если мощность установки составляет 20 вт и интенсивность - 4 вт/см2, то при использовании импульсного режима при 100 импульсах в секунду (частота следования 100 гц) и длительности отдельного импульса в 1/1000 сек. получается скважность 1: 10, что отвечает непрерывному облучению
при мощности ультразвука 2 вт. В то же время интенсивность ультразвука в момент воздействия импульса остается той же, т. е. равной 4 вт/см2.
Значение импульсного метода заключается, во-первых, в возможности уменьшить тепловое воздействие ультразвука и, во-вторых, в точной дозировке малых мощностей, которая не может быть достигнута другими способами. Последнее достигается просто путем соответствующего изменения скважности. Как мы много раз указывали, тепловой эффект ультразвука участвует в возникновении многих реакций, однако как побочное явление он может замаскировать специфическое действие ультразвука. Частично снижение теплового эффекта при непрерывном облучении возможно при охлаждении облучаемого объекта, при массирующем действии и, наконец, при применении малой плотности энергии. При импульсном облучении удается практически устранить тепловое воздействие, так как при малой скважности выделяемая тепловая энергия уменьшается и имеющее место во время короткого импульса местное нагревание исчезает в течение паузы. Так как механическое и химическое действия ультразвука зависят от плотности энергии, а эта последняя при импульсном режиме остается постоянной, импульсный метод открывает новые возможности исследования воздействия ультразвука. Барт, Эрлхоф и Штрейбль
в опытах с импульсным ультразвуком показали, например, что ультразвуковой гемолиз есть явление главным образом механическое. Барт, Штрейбль и Ваксман (по , стр. 196) в опытах с импульсным ультразвуком нашли, что разрушительное действие ультразвука на кости молодых собак основано в первую очередь на тепловом воздействии.
Согласно Борну 12511], в терапии исключение теплового воздействия дает возможность лучшего и более мощного ультразвукового облучения глубоких участков ткани: при непрерывном ультразвуковом облучении большая интенсивность ультразвука, необходимая вследствие наличия поглощения в тканях, связана со слишком большим нагреванием поверхности объекта. Наблюдаемые при интенсивном облучении боли в надкостнице при импульсном облучении также должны уменьшаться. Однако при этом не надо забывать, что боли в надкостнице часто являются полезным сигналом, предостерегающим от переоблучения. Дальнейшие работы по импульсному облучению см. в библиографии . В заключение нужно сказать, что мнения относительно применения импульсного метода для терапевтических целей еще очень противоречивы. Этот метод, во всяком случае, увеличивает экспериментальные возможности изучения действия ультразвука.
ДОПОЛНЕНИЕ
1. Ультразвуковые волны в природе
В гл. VI, § 3 мы указали, что летучие мыши во время полета испускают короткие ультразвуковые импульсы и способны ориентироваться даже в полной темноте, избегая препятствий благодаря восприятию отраженного от них эхо. Эта поразительная способность ориентировки уже давно вызывала интерес ученых, однако однозначное объяснение было дано лишь в недавнее время опытами Галамбоса и Гриффина . С заклеенными глазами летучие мыши летают так же уверенно, как и с открытыми; если же им заклеить уши или рот, они становятся совершенно «слепыми»1).
х) Подобные опыты поставили уже в 1793 г. Спалланцани и в 1798 г. Джурайн; однако они не дали обьяс-нения наблюдавшемуся ими явлению. Только в 1920 г. Хартридж высказал предположение, что летучие мыши ориентируются при помощи испускаемых ими высоких звуков. Исторический обзор многочисленных старых работ в даииой области дает Г аламбос (см также Мёрес ).
Пирс и Гриффин , а также Пиль-майер при помощи чувствительных ультразвуковых приемников установили, что частота ультразвука, испускаемого летучими мышами, лежит в пределах 30 - 120 кгц. Длительность отдельного ультразвукового импульса колеблется от 1 до 3 мсек. Максимум интенсивности находится при частоте примерно 50 кгц, что соответствует длине волны в воздухе 6,5 мм. Число импульсов в секунду сильно меняется. Перед взлетом оно равно 5 - 10, при полете в свободном пространстве - 20 - 30, а при приближении к препятствию доходит до 50 - 60 в секунду; после препятствия число импульсов резко падает опять до 20 - 30 в секунду.
На фиг. 610 приведена полученная Гриффином осциллограмма одиночного ультразвукового импульса летучей мыши Myotis lucifugus. Амплитуда быстро возрастает, проходит несколько максимумов и затем несколько медленнее спадает. Каждый такой ультразвуковой импульс сопровождается слабым слышимым тикающим звуком.
Уже Элиас1) установил, что у летучих мышей Хрящи гортани содержат много костной ткани и что очень развитая мускулатура может создавать большое натяжение тугих и тонких голосовых связок. Он заключил отсюда, что эти животные способны издавать очень высокие звуки, может быть даже неслышимые человеческим ухом. Тот факт, что летучие мыши слышат ультразвуки, показывают опыты Галамбоса , который при помощи микровольтметра установил наличие электрического напряжения в улитке летучей мыши при возбуждении уха ультразвуком с частотой 10 - 90 кгц.
Фиг. 610. Осциллограмма ультразвукового импульса летучей мыши Myotis lucifugus по Гриффииу.
Совершенно независимо от названных выше исследователей Дейкграаф подробно изучил проблему ориентировки летучих мышей. Его данные в основном совпадают с приведенными выше. Между прочим, Дейкграафу удалось приучить летучую мышь прилетать по ультразвуковому сигналу с частотой 40 кгц от ее обычного места отдыха к садовой скамейке, где она получала корм (мучного червя). При этом летучая мышь способна была в темноте различать две садовые скамейки, из которых одна была снабжена отражателем в виде вертикально расположенной круглой стеклянной пластинки, а другая - такой же пластинкой, оклеенной бархатом.
Описанные выше опыты относятся только к одному семейству летучих мышей, а именно Vespertilionidae; недавно Мёрес
) Н. Elias, Jahrb. f. Morph., 37, 70 (1907).
исследовал способность к ориентировке у подковоноса (Rhinolophus ferrum equinum Shreb.). При этом оказалось, что это животное излучает ультразвуковые импульсы через нос. Особое строение гортани обеспечивает в этом случае хорошую связь между гортанью, создающей ультразвук, и носовой полостью. Пасть остается во время полета закрытой. Ввиду направленности излучения, создаваемой ноздрями, ультразвуковой пучок оказывается сконцентрирован-) ным; поэтому подковоносы обнаруживают препятствия на-значительно больших расстояниях, чем летучие мыши, относящиеся к другим семействам. Уже при небольших поворотах головы получается быстрое спадание или возрастание эхо, что облегчает ориентировку. Интересно, что, согласно Мёресу, форма импульсов, испускаемых подковоносами, резко отличается от показанного на фиг. 610 импульса для представителя Vespertilionidae: длительность импульса больше в 20 - 30 раз (в полете от 90 до 110 мсек.), пики отсутствуют. Импульс представляет собой почти незатухающий волновой цуг с постоянной частотой, подобный звуку ультразвукового свистка, причем длительность и частота следования импульсов отвечают примерно периоду выдоха. Большая длительность отдельного импульса означает, что ориентировка по принципу эхо уже невозможна, так как на расстояниях меньше 15 - 17 м посылаемый и отраженный импульсы перекрываются. Если учесть еще, что животное за время испускания импульса поворачивает голову то в ту, то в другую сторону на 120°, так что воспринимаются эхо, приходящие с различных направлений, то становится ясной невозможность различения отражений без какого-либо особого механизма. Поэтому предполагают, что обнаружение препятствий данным видом летучих мышей осуществляется только путем восприятия пространственного распределения интенсивности отраженного звука. Это предположение подтверждается и тем, что подковоносы не теряют способности ориентироваться в полете, если им закрыть одно ухо, а также тем, что процесс ориентировки связан со сложными движениями ушных раковин. Поворачивая уши в направлении наибольшей интенсивности отраженного звука, животное узнает, в каком направлении находится препятствие. Однако трудно объяснить, как животное может определять расстояние до препятствия только путем восприятия интенсивности.
Клисэттль указывает на возможность использования летучими мышами эффекта
Допплера. Если обозначить через v скорость животного относительно препятствия, т. е. при неподвижном препятствии скорость полета животного, то частота эхо увеличивается на величину Af = 2vf/c, где f - частота посылаемого звука, а с - скорость звука в воздухе; Дf является прямой мерой скорости сближения животного с препятствием. При этом нет необходимости непосредственного восприятия летучей мышью ультразвука; достаточно было бы восприятия тона биений, т. е. разности между посылаемой частотой f и отраженной частотой)+-/ В этом случае неподвижная летучая мышь могла бы обнаруживать только быстро движущиеся предметы. К аналогичным выводам приходит также Холлман . Таким образом, мы видим, что природная способность летучих мышей к ультразвуковой ориентации (эта способность установлена Мёресом , большинство ночных бабочек реагирует на звуковые волны с частотой 10 - 200 кгц. Как только бабочка попадет в поле такой ультразвуковой волны, у нее появляется реакция «попытки к бегству» или «рефлекс замирания». Застигнутые ультразвуковым воздействием в полете насекомые либо улетают в сторону, либо прекращают полет, падают и уползают. Ползущее насекомое либо сейчас же улетает, либо прекращает всякое движение. Из состояния сна бабочки не могут быть выведены даже при применении звукового воздействия большой интенсивности. Так как реакция на звук исчезает при прокалывании барабанной перепонки насекомого, то, по-видимому, ультразвуковые волны действительно воспринимаются насекомым и перерабатываются его нервными центрами. Иначе говоря, эти воздействия не являются раздражителями, ответ на которые носит чисто рефлекторный характер.
Таким образом, природа дала этим насекомым средство защиты против их главного врага - летучих мышей. При этом нужно добавить, что покрывающий ночных бабочек густой слой волосков также защищает их от летучих мышей, так как от густого волосяного покрова звуковые волны отражаются очень плохо.
Пильмайер при помощи чувствительного ультразвукового приемника установил, что самцы различных видов прямокрылых (Conocephalus fasciatus, Conocephalus gracillimus, Conocephalus stratus, Neoconocephalus ensiger,
Orchelinum vulgare), а также сверчков (Nemo-bius fasciatus) способны издавать наряду со звуками, лежащими в слышимой области, также и ультразвуки, частота которых достигает 40 кгц. Что касается интенсивности, то в некоторых случаях на расстоянии 30 см от насекомого удавалось зарегистрировать до 90 дб, т. е. 10~7 вт/ел2.
Звуки производятся этими насекомыми двумя способами. В некоторых случаях твердая жилка одного крыла задевает о зазубренный кантик на другом. Высота звука зависит при этом от частоты движения крыльев и от числа зубчиков кантика. У Conocephalus fasciatus, например, была зарегистрирована частота движений крыла 66 гц, в то время как число зубчиков кантика, задеваемых другим крылом, составляло примерно 125. Это дает звук с частотой 66-125 = 8,3 кгц, что и было найдено при непосредственном измерении. Звуки других частот возникают потому, что находящаяся на теле насекомого тонкая мембрана (так называемый тимпанальный орган) резонирует и излучает звук. Пильмайер, исходя из физических данных этой мембраны (толщина, натяжение, жесткость и диаметр), рассчитал ее собственную частоту. Для Orchelinum vulgaris она составляет 14 кгц, а для Conocephalus fasciatus и других видов - около 40 кгц.
Пирс и Лоттермозер при помощи пьезоэлектрического звукоприемника конденсаторного микрофона исследовали звуки, создаваемые сверчками, и обнаружили у полевого сверчка (Nemolius fasciatus) наряду со слышимыми звуками с частотами 8, 11 и 16 кгц также ультразвуковые тона 24 и 32 кгц, которые излучались 16 раз в секунду1).
Бюзнель и Шавасс показали при помощи высокочувствительного звукового спектрографа, что очень многие прямокрылые насекомые (например, Gryllotalpa L., Tettigonia vi-ridtssima L., Decticus verructforis L., D. albif-ron L., Ephippigera Fiebig, E. biterensis Mar-quet, E. provincialis, Locusta migratoria mig-ratorioides L., Dociostaurus maroccanus Thunb.) издают ультразвук заметной интенсивности с частотой, доходящей до 90 кгц. Так, у одного из видов Decticus спектрограф обнаруживает максимумы интенсивности на частотах 13 и 42 кгц.
Бенедетти доказал наличие слухового восприятия ультразвука у этих насекомых путем измерения электрических потенциалов в их слуховом органе. Аутрум1) доказал наличие восприятия ультразвука у саранчи и сверчков. Так, например, у лиственной саранчи при частоте 90 кгц и умеренной интенсивности наблюдается отчетливая реакция слухового органа. Шал лер2) показал недавно, что водяная цикада слышит ультразвук с частотой до 40 кгц.
Далее французские исследователи Розе, Са-ворни и Казанова установили при помощи особо чувствительного приемника ультразвука, что медоносная пчела испускает ультразвуковые волны с частотой 20 - 22 кгц. Это излучение особенно интенсивно при роении и при нахождении или оставлении пищевой приманки. У ос ультразвукового излучения не обнаружено (см. также Шавасс и Леман ).
Сэби и Торп, используя пьезоэлектрический микрофон, изучали ультразвуковые шумы в различных районах джунглей . При этом они обнаружили ультразвуки с частотой до 30 кгц. Шумы частотой 15 - 25 кгц были наиболее сильны вечером; в течение ночи и в ранние утренние часы их интенсивность постепенно уменьшалась. В жаркие дневные часы они почти совершенно исчезали. В вечерние часы спектральный максимум находился на частоте 15 кгц. Интенсивность в полосе частот 15 - 25 кгц достигала в максимуме около 55 дб, т. е. около 3-10~10 вт/см2. Источники этих ультразвуковых шумов еще не обнаружены.
Эверест, Юнг и Джонсон обнаружили в море звуки в полосе частот 2 - 24 кгц. Источник этих звуков отчасти выяснен. Эти шумы издаются некоторыми ракообразными, в частности креветками Crangon и Synalpheut при захлопывании клешней (см. также Махлуп ).
Наконец, следует указать, что способность слышать ультразвук присуща еще целому ряду других животных. В гл. II, § 1, п. 1 мы уже указывали, что собаки могут слышать ультразвуки вплоть до частоты 100 кгц. Недавно Шлейдту удалось показать, что различные грызуны (домовая мышь, крыса, мышь-малютка, соня, хомяк, морская свинка) слышат ультразвуки иногда с частотой до 100 кгц. Для доказательства Шлейдт использовал прейе-ровский рефлекс ушной раковины или реакцию
х) Н. A u t г и ш, Uber Lautaufierungen und Schall-wahrnehmungen bei Arthropoden, Zs. vergl. Physiol., 28, 326 (1940).
2) F. S с h a 1 1 e r, Lauterzeugung und Horver-
mogen von Corixa (Callicorixa) striata L., Zs. vergl.
Physiol., 32, 476 (1950).
вибрисс. Первая реакция заключается в подергивании ушных раковин при звуковом раздражении, вторая - в характерном движении усов (вибрисс). Келлог и Колер показали, что дельфины могут слышать звуки с частотами от 100 до 50 000 гц. В гл. VI, § 3, п. 1 уже упоминалось, что киты способны воспринимать ультразвуки с частотами в диапазоне 20 - 30 кгц. Естественно предположить, что они могут издавать ультразвуки в том же диапазоне частот и таким образомотыскивать друг друга.
В патенте Зейделя указывается на возможность отпугивания животных-вредителей при помощи ультразвука. Практических данных по этому вопросу до сих пор не было опубликовано.
Обзоры сведений по ультразвуку в животном мире. см. .
2. Ультразвук в архитектурной акустике
В гл. III, § 4, п. 1 мы привели две фотографии, полученные теневым методом, которые показывают возможность архитектурно-акустических исследований при помощи ультразвука на малых моделях. На таких фотографиях можно очень ясно видеть отражения волн от стенок и т. п. и обнаруживать мертвые зоны в зале.
Канак и Гавро создавали в малых моделях некоторых зданий ультразвуковые поля с частотой 75 кгц при помощи маг-нитострикционного излучателя и регистрировали их оптическим методом. Преимуществом этого, весьма важного для архитектурной акустики метода является возможность проведения таких исследований в обычном (а не специально заглушенном) помещении; при достаточных размерах последнего отражения от стен уже не будут создавать помех. Этот метод дает также возможность исследовать отражения от потолков в залах и т. ’п. на пространственных моделях .
Мейер и Бон проводили исследования отражения от моделей поверхностей с периодической структурой, пользуясь ультразвуком с частотой 15 - 60 кгц. С этой целью на исследуемую стенку направлялся узкий (шириной около 20°) ультразвуковой пучок и записывалось угловое распределение отраженного звука в пределах 180°. Отсюда определялся «коэффициент рассеяния», т. е. отношение энергии, рассеянной за пределы 20-градусного геометрически отраженного пучка, к полной отраженной энергии.
Ультразвук - Что это такое?
Теория и практика.
При всей сложности теории ультразвука, разобраться в принципах ультразвуковой очистки поверхностей не так уж сложно. Эта статья адресована тем, кто хочет получить представление об основных явлениях, используемых в акустических технологиях очистки, а главное - понять, "как эта штука работает", какими критериями можно руководствоваться при выборе оборудования, моющих сред и режимов обработки.
Технологии очистки постоянно совершенствуются. Широко использующаяся в России спиртобензиновая смесь для отмывки плат от остатков флюса и технологических загрязнений теряет эффективность по мере уменьшения размеров компонентов. В уменьшающихся пазухах и зазорах нет нужного обмена раствора, чтобы вымыть оттуда технологические загрязнения.
Желание улучшить отмывку увеличением ее времени приводит к вымыванию связующего, образованию белесоватого налета на поверхности плат. Практикуемая за рубежом конденсационная очистка, использующая хлорированные и фторированные углеводороды, наносит вред экологии нашей планеты и в перспективе исчезнет. В то же время требования к качеству очистки непрерывно повышаются.
Чистота стала актуальным фактором качества во многих отраслях промышленности, чего не было в прошлом. В электронной индустрии, где чистота была всегда важна, она стала еще более критическим фактором в обеспечении состоятельности высоких технологий.
Создается впечатление, что каждое усовершенствование технологии требует все большего и большего внимания к чистоте для его реализации. В результате технологии очистки в течение последних нескольких лет были критически пересмотрены. Многие из них теперь основаны на использовании ультразвуковых методов очистки.
Действительно, какие бы эффективные моющие растворы не использовались, без добавления акустической энергии ультразвука нет возможности обеспечить заданный уровень очистки.
Что такое ультразвук?
Ультразвук (УЗ) - упругие колебания и волны, частота которых выше 15.. .20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, то есть при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул. При нормальном давлении она составляет 109 Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 1012-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить на три подобласти: низкие - 1,5-10. ..105 Гц; средние - 105...107 Гц; высокие - 1О7...1О9 Гц.
Теория звуковых волн.
Ультразвук как упругие волны.
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона, а также от инфразвуковых волн. Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот, обычно называемых звуковыми волнами. К основным законам их распространения относятся законы отражения и преломления звука на грани-цах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.
Специфические особенности ультразвука.
Хотя физическая природа УЗ и управляющие его распространением основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, определяющих его значимость в науке и технике. Они обусловлены его относительно высокими частотами и, соответственно, малой длиной волны. Для низкочастотной области УЗ длины волн не превышают в большинстве случаев нескольких сантиметров и лишь вблизи нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков сантиметров. УЗВ затухают значительно быстрее, чем волны низкочастотного диапазона, так как коэффициент поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты.
Еще одна весьма важная особенность УЗ - возможность получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты. Амплитуда колебательного смещения на практике ограничена прочностью акустических излучателей. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация - возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их захлопывание, слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы.
Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты. Например, с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением гидростатического давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты обычно приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующего началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и пр. Для воды в низкочастотном ультразвуковом диапазоне при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3-1 Вт/см3.
Источники ультразвука
В природе УЗ встречается в составе многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), а также в мире животных, использующих его для эхолокации и общения. Технические излучатели ультразвука, используемые при изучении УЗВ и их технических применениях, можно подразделить на две группы.
К первой относятся излучатели-генераторы (свистки). Колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока струи газа или жидкости.
Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи: они преобразуют уже заданные электрические колебания в механические колебания какого-либо твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.
Применение ультразвука.
Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления.
Первое связано с получением информации посредством УЗВ, второе - с активным воздействием на вещество и третье - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления).
Принципы ультразвуковой очистки.
Основную роль при воздействии УЗ на вещества и процессы в жидкостях играет кавитация. На кавитации основан получивший наибольшее распространение ультразвуковой технологический процесс - очистка поверхностей твердых тел. В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут иметь различные проявления кавитации, такие как микроударные воздействия, микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химические свойства моющей жидкости, ее газосодержание, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его применительно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей.
Разновидностью очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие УЗ совмещается с действием сильных химических реагентов. Ультразвуковая металлизация и пайка основываются фактически на ультразвукововой очистке (в т. ч. от окисной пленки) соединяемых или металлизируемых поверхностей. Очистка при пайке обусловлена кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что образуются соединения неспаиваемых в обычных условиях материалов, например, алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами. В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет также звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины и поры.
Механизмы очистки и отмывки.
Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были растворены (в случае растворения солей), счищены (в случае нерастворимых солей) или и растворены, и счищены (как в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пленок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности.
Ультразвук также можно эффективно использовать в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии моющих сред могут быть быстро удалены ультразвуковым ополаскиванием. При удалении загрязнений растворением, растворителю необходимо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее.
По мере того как растворитель растворяет загрязнение, на границе растворитель-загрязнение возникает насыщенный раствор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается, поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязнения. Воздействие ультразвука разрушает слой насыщенного растворителя и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязнения. Это особенно эффективно, в тех случаях, когда очистке подвергаются "неправильные" поверхности с лабиринтом пазух и рельефа поверхностей, к каким относятся печатные платы и электронные модули. Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Эти частицы достаточно только отделить от поверхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности загрязнения типа пыли, смывают и удаляют их.
Загрязнения, как правило, многокомпонентны и могут в комплексе содержать растворимые и нерастворимые компоненты. Эффект УЗ в том и состоит, что он эмульгирует любые компоненты, то есть переводит их в моющую среду и вместе с ней удаляет их с поверхности изделий. Чтобы ввести ультразвуковую энергию в систему очистки необходим УЗ-генератор, преобразователь электрической энергии генератора в УЗ-излучение и измеритель акустической мощности.
Электрический ультразвуковой генератор конвертирует электрическую энергию сети в электрическую энергию на ультразвуковой частоте. Это выполняется известными способами и не имеет какой-либо специфики. Однако, предпочтительнее использовать цифровую технику генерации, когда на выходе получаются прямоугольные импульсы чередующейся полярности. КПД таких генераторов близок к 100%, что позволяет решить проблему энергоемкости процесса. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к акустическому излучению, богатому гармониками. Преимущества многочастотной системы очистки состоят в том, что в объеме моющей среды не образуется "мертвых" зон в узлах интерференции. Поэтому многочастотное УЗ-облучение позволяет располагать объект очистки практически в любой зоне УЗ-ванны.
Другим приемом избавления от "мертвых" зон является использование генератора с качающейся частотой. В этом случае узлы и пучности интерференционного поля перемещаются на различные точки очищающей системы, не оставляя без облучения какие-либо участки для очистки. Но КПД таких генераторов относительно низкий.
Преобразователи.
Имеются два общих типа ультразвуковых преобразователей: магнитострикционный и пьезоэлектрический. Они оба выполняют одинаковую задачу преобразования электрической энергии в механическую. В магнитострикционных преобразователях используют эффект магнитострикции, при котором некоторые материалы изменяют линейные размеры в переменном магнитном поле. Электрическая энергия от ультразвукового генератора сначала преобразуется обмоткой магнитостриктора в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает механические колебания ультразвуковой частоты за счет деформации магнитопровода в такт с частотой магнитного поля. Поскольку магнитострикционные материалы ведут себя подобно электромагнитам, частота их деформационных колебаний в два раза выше частоты магнитного, а, значит, и электрического поля.
Электромагнитным преобразователям свойственен рост потерь энергии на вихревые токи и перемагничивание с ростом частоты. Поэтому мощные магнитострикционные преобразователи редко используют на частотах выше 20 кГц.
Пьезопреобразователи, напротив, могут хорошо излучать в мегагерцовом диапазоне. Магнитострикционные преобразователи вообще менее эффективны, чем их пьезоэ-лектрические аналоги. Это обусловлено, прежде всего, тем, что магнитострикционный преобразователь требует двойного энергетического преобразования: из электрического в магнитное и затем из магнитного в механическое. Потери энергии происходят на каждом преобразовании. Это уменьшает КПД магнитострикторов.
Пьезопреобразователи конвертируют электрическую энергию прямо в механическую за счет использования пьезоэлектрического эффекта, при котором некоторые материалы (пьезоэлектрики) изменяют линейные размеры при приложении электрического поля.
Раньше для пьезоизлучателей использовали такие пьезоэлектрические материалы как природные кристаллы кварца и синтезируемый титанат бария, которые были хрупкими и нестабильными, а потому и ненадежными.
В современных преобразователях используют более прочные и высокостабильные керамические пьезоэлектрические материалы. Подавляющее большинство систем УЗ-очистки используют сегодня пьезоэлектрический эффект.
Оборудование ультразвуковой очистки.
Диапазон используемого оборудования ультразвуковой очистки очень широк: от малых настольных модулей в стоматологии, ювелирных магазинах, электронной индустрии до огромных систем с объемами в несколько тысяч литров в ряде промышленных применений. Правильный выбор необходимого оборудования имеет первостепенное значение в успехе применения ультразвуковой очистки. Самое простое применение УЗ очистки может требовать всего лишь нагретой моющей жидкости. Более сложные системы очистки требуют большого количества ванн, последние из которых должны быть наполнены дистиллированной или деионизированной водой.
Самые большие системы используют погружаемые ультразвуковые преобразователи, комбинация которых может облучить ванны почти любого размера. Они обеспечивают максимальную гибкость и легкость в использовании и обслуживания. Ультразвуковые ванны с подогревом моющего раствора наиболее часто применяются в лабораториях, медицине, ювелирном деле.
Линии УЗ-очистки, используемые в крупном производстве, объединяют в одном корпусе электрические УЗ-генераторы, УЗ-преобразователи, транспортную систему перемещения объектов очистки по ваннам и систему управления. УЗ-ванны могут быть включены в линию химикогальванической металлизации с использованием модульных погружаемых ультразвуковых преобра-зователей.
Системы УЗ-очистки
При выборе системы очистки особенно важно обращать внимание на те характеристики, которые позволяют наиболее эффективно использовать ее. В первую очередь важно определить факторы интенсивности ультразвуковой кавитации в моющей жидкости. Температура жидкости - наиболее важный фактор, обеспечивающий интенсивность кавитации. Изменения температуры приводят к изменениям вязкости, растворимости газа в жидкости, скорости диффузии растворенных газов в жидкости и давлении пара.
Все они влияют на интенсивность кавитации. Вязкие жидкости инерционны и не могут реагировать достаточно быстро, чтобы формировать кавитационные пузырьки и сильные акустические течения. Для наиболее эффективной кавитации очищающая жидкость должна содержать как можно меньше растворенного газа.
Газ, растворенный в жидкости, выходит во время пузырьковой фазы роста кавитации и ослабляет ее взрывной эффект, который необходим для ожидаемого эффекта ультразвукового воздействия. Количество растворенного газа в жидкости уменьшается с увеличением температуры.
Скорость диффузии растворенных газов в жидкости также увеличивается при более высоких температурах. Поэтому предпочтение отдают очистке в подогретых моющих растворах.
Парообразная кавитация, в которой кавитационные пузырьки заполнены паром жидкости, является наиболее эффективной. Интенсивность кавитации прямо связана с мощностью ультразвукового облучения. Обычно ее устанавливают выше кавитационного порога. Интенсивность кавитации обратно пропорциональна ультразвуковой частоте: с увеличением ультразвуковой частоты уменьшаются размеры кавитационных пузырьков и их результирующее воздействие на очищаемую поверхность. Компенсировать уменьшение интенсивности ультразвукового воздействия с увеличением частоты можно только увеличением мощности облучения.
Обеспечение максимального эффекта очистки
Удачный выбор моющих сред - залог успеха в процессе ультразвуковой очистки. В первую очередь выбранный состав должен быть совместим с материалами очищаемых поверхностей. Наиболее подходят для этого водные растворы технических моющих средств. Как правило, это обычные поверхностно активные вещества (ПАВ). Дегазация моющих растворов чрезвычайно важна в достижении удовлетворительных результатов очистки. Свежие растворы или растворы, которые накануне были охлаждены, должны быть дегазированы перед процессом очистки. Дегазация выполняется нагревом жидкости и предварительным облучением ванны ультразвуком. Время, заданное для дегазации жидкости, составляет от нескольких минут для ванн малого размера до часа или больше для большого резервуара. Ненагретый резервуар может дегазироваться несколько часов. Признаком закончившейся дегазации являются отсутствие видимых пузырьков газа, перемещающихся к поверхности жидкости, и отсутствие видимой пульсаций пузырьков. Мощность ультразвукового облучения должна сопоставляться с объемом ванны. Очистка массивных объектов или имеющих большое отношение поверхности к массе, может требовать дополнительной ультразвуковой мощности. Чрезмерная мощность может вызывать кавитационную эрозию или "сжига-ющий" эффект на мягких поверхностях. Если очищаются объекты с разнородными поверхностями, мощность облучения рекомендуется установить по менее прочному компоненту.
Важно правильно размещать очищаемые объекты в ванне. Погружаемые устройства не должны экранировать объекты от воздействия ультразвука.
Твердые материалы обычно обладают хорошей звукопроводностью и не экранируют объект очистки. Вместе с тем, объекты очистки нужно постоянно ориентировать или вращать их во время очистки так, чтобы полностью очистить внутренние пазухи и глухие отверстия.
Должным образом используемая ультразвуковая технология обеспечивает большую скорость и высокое качество очистки поверхностей.
Отказ от использования растворителей за счет применения водных сред удешевляет процесс и наиболее эффективно решает экологические проблемы.
Ультразвук - это не технология будущего, это технология сегодняшнего дня.
Аркадий Медведев.
Ультразвук………………………………………………………………….4
Ультразвук как упругие волны……………………………………..4
Специфические особенности ультразвука………………………………..5
Источники и приемники ультразвука……………………………………..7
Механические излучатели…………………………………………...7
Электроакустические преобразователи…………………………….9
Приемники ультразвука……………………………………………..11
Применение ультразвука…………………………………………………...11
Ультразвуковая очистка……………………………………………...11
Механическая обработка сверхтвердых и хрупких
материалов……………………………………………………………13
Ультразвуковая сварка……………………………………………….14
Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14
Ускорение производственных процессов………………..…………15
Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15
Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17
Ультразвук в медицине………………………………..……………..18
Литература…………………………………………………..……………….19
ведение.Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.
Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.
Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.
льтразвук.Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10 9 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10 12 -10 13 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:
· низкие УЗ-вые частоты (1,5×10 4 – 10 5 Гц);
· средние (10 5 – 10 7 Гц);
· высокие (10 7 – 10 9 Гц).
Упругие волны с частотами 10 9 – 10 13 Гц принято называть гиперзвуком.
Ультразвук как упругие волны.
УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром
, где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.
При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:
· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;
· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;
· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).
Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.
Параметр М называется «число Маха».
пецифические особенности ультразвукаХотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.
Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.
Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.
Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке , наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.
Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия ), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см 2 . Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.
Загрузка...
