Ультразвуки и инфразвуки

      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).

Свисток Гальтона.

      Первый  ультразвуковой свисток сделал  в 1883 году англичанин Гальтон.

Ультразвук здесь создается  подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона

играет "губа" в маленькой  цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту

"губу"; возникают колебания,  частота которых (она составляет около 170 КГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.

Жидкостный  ультразвуковой свисток.

      Большинство  ультразвуковых свистков можно  приспособить для работы в

жидкой среде. По сравнению  с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку.

      Различные  модификации этой конструкции получили широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена.

      Другая  разновидность механических источников  ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

      Основная задача при изготовлении сирен - это, во-первых, сделать как можно больше отверстий в роторе и, во-вторых, достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Электромеханические генераторы ультразвука

      На практике для получения ультразвука обычно применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на способности некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного (магнитострикционные генераторы) или электрического поля (пьезоэлектрические генераторы), при этом генераторы издают звуки высокой частоты.

 

                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Практическое  применение ультразвука

Приготовление смесей с помощью ультразвука

      Широко  применяется ультразвук для приготовления  однородных смесей

(гомогенизации). Еще в  1927 году американские ученые Лимус  и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика. Широкое внедрение такого метода приготовления эмульсий в промышленность началось после изобретения жидкостного свистка.

Применение  ультразвука в биологии.

      Способность  ультразвука разрывать оболочки  клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения  внутриклеточных структур (митохондрии и хлоропласты) с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями (аналитическая цитология).

      Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью

вызывать мутации. Исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что

ультразвук даже малой  интенсивности может повредить  молекулу ДНК.

Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую  роль в

селекции растений. Главное  преимущество ультразвука перед  другими

мутагенами (рентгеновские  лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается  в том,

что с ним чрезвычайно  легко работать.

                   Применение ультразвука для диагностики (УЗИ)

      Ультразвуковые  колебания при распространении  подчиняются законам

геометрической оптики. В  однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется,

продолжая прямолинейное  распространение. Чем выше градиент перепада

акустической плотности  граничных сред, тем большая часть  ультразвуковых

колебаний отражается. Так  как на границе перехода ультразвука  из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом

сканировании больного необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

      Для исследования  органов брюшной полости и пространства за ней, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

      Генератором  ультразвуковых волн является  пьезодатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.

        Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики (или трансдюсоры) ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа. Для щитовидной железы используются конвексные трансдюсоры на 7,5 МГц, для исследования почек и печени в равной степени пригодны как линейные, так и конвексные датчики.

      Преимуществом  линейного датчика является полное  соответствие

исследуемого органа положению  самого трансдюсора на поверхности  тела.

Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения  во всех

случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента,

что приводит к искажениям получаемого изображения по краям.

      Конвексный  датчик имеет меньшую длину,  поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использованииь конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько

сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических

ориентиров врач обязан учитывать  это несоответствие.

      Секторный  датчик имеет еще большее несоответствие  между размерами

трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки.

      Отраженные  эхосигналы поступают в усилитель  и специальные системы

реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в

виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки  черно-белого цвета.

      Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная - черным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение.

      Выбор позитивной  или негативной регистрации не  имеет значения. Полученное изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью термопринтера.

      Первая  попытка изготовить фонограммы  человеческого тела относится  к

1942 году. Немецкий ученый  Дуссиле "освещал" ультразвуковым  пучком

человеческое тело и затем  измерял интенсивность пучка, прошедшего через

тело (методика работы с рентгеновскими лучами Мюльхаузера). Вначале 50-х годов американские ученые Уилд и Хаури впервые и довольно успешно применили ультразвук в клинических условиях. Свои исследования они сосредоточили на мозге, так как диагностика с помощью рентгеновских лучей не только сложна, но и опасна. Применение ультразвука для диагноза при серьезных повреждениях головы позволяет хирургу точно определить места кровоизлияний.

      Ультразвуковые зонды применяются для измерения размеров глаза и

определения положения хрусталика, при определении местонахождения  камней в желчном пузыре. Существуют зонды, которые помогают во время операций на сердце следить за работой митрального клапана, расположенного между желудочком и предсердием.

Использование эффекта Доплера в диагностике.

      Особый  интерес в диагностике вызывает  использование эффекта Доплера.

Суть эффекта заключается  в изменении частоты звука  вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

      При наложении  первичных и отраженных сигналов  возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя. В

настоящее время на основе эффекта Доплера исследованы  только движение крови и биение сердца. Этот эффект широко применяется в акушерстве, так как звуки, идущие от матки легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через мочевой пузырь. Когда матка наполняется жидкостью, она сама начинает проводить звук. Положение плаценты определяется по звукам протекающей через нее крови, а через 9 - 10 недель с момента образования плода прослушивается биение его сердца. С помощью ультразвуковых устройств количество зародышей или констатировать смерть плода.

Применение  ультразвука в терапии и хирургии

      Основная  задача применения ультразвука низких интенсивностей (0,125 - 3,0 Вт/см²) – не повреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (> 5 Вт/см²) основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.

      Ультразвук применяют в физиотерапии и в некоторых видах лечения рака.

     Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, механических наконечников.

Ретон –  аппарат ультразвуковой терапии

       Низкочастотный аппарат “РЕТОН” предназначен для применения в лечебно-профилактических учреждениях и в домашних условиях. Основная функция аппарата - ультразвуковая терапия, дополнительная - фонофорез.                      При помощи аппарата «РЕТОН» генерируются ультразвуковые колебания новой частоты (110 кГц), воздействующие на глубоколежащие мышцы и внутренние органы, что используется для проведения ультразвуковой терапии.

       Лечение в домашних условиях аппаратом “РЕТОН” привлекательно тем, что после процедуры больному нет необходимости передвигаться, выходить на улицу, ездить на транспорте или совершать какие-либо другие действия, которые не только не способствуют лечению, но иногда наносят вред (например, охлаждение после физиотерапевтических процедур в холодную погоду при амбулаторном лечении).

Ультразвуковая  ванна

        Ультразвуковая ванна — устройство для создания кавитации в жидкости, налитой в ванну. Обычно применяется для ультразвуковой очистки твёрдых тел в моющих растворах, однако может использоваться и для ускорения физико-химических процессов в жидкостях (перемешивание, растворение, эмульгирование, экстракция, обеззараживание и т. п.).

         Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну. Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.