Взаимодействие ультразвука с веществом.
Рассмотрим, с какими параметрами колебательного движения приходиться иметь дело при распространении ультразвука в веществе. Пусть
излучатель создает волну с интенсивностью I = 105 Вт/м2 и частотой 105 Гц.
Так как I = pa2 /2рc, а pa = Аwрc, то мы имеем I = 0,5рcА2 w2 = 2сА2рп2v2 . Отсюда мы получаем:
А =
Подставляя в формулу значения входящих в нее величин, получим ,что амплитуда смещения частиц воды при данных условиях А = 0,06 мкм. Амплитудное значение ускорения частиц воды ам = Аw2 = 4Ап2 v2 = 2∙4∙105 м/с2 , что в 24 000 раз превышает ускорение силы тяжести. Амплитудное значение акустического давления ра = рсАw= 5,6∙105 Па≈5,6 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. Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становиться больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации. Для чистой воды теоретическое значение порога кавитации рк = 1,5∙103 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 получение эмульсий несмешивающихся жидкостей.
При интенсивности ультразвука менее 0,3∙104 Вт/м2 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 Cl- . При больших различиях в массах потенциал Дебая может достигать десятков и сотен мВ.
Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии в тепловую. В ультразвуковом поле могут протекать как окислительные, так и восстановительные реакции, причем даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы.
Значительное действие оказывает ультразвук на некоторые биохимические соединения: от белковых молекул отрываются молекулы аминокислот, происходит денатурация протеинов и т.д.
Ультразвук вызывает свечение воды и некоторых других жидкостей. На живые организмы ультразвук действует возмущающе, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Реакция организма на ультразвук положена в основу методов ультразвукового лечения и ультразвуковой диагностики. Ультразвук применяют в терапии, хирургии, акушерстве и гинекологии, кардиологии, гемодинамике.