1.5 Ультразвук
Ультразвук – это упругие звуковые колебания. Человек слышит звуки с частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц. Но существуют звуковые колебания с частотой, значительно превышающие 20 кГц. Это неслышимые звуки, иначе называемые ультразвуки [20]. Область частот ультразвук от 109 до 1012-13 Гц принято называть гиперзвуком.
Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти:
ультразвук низких частот (1,5×104—105 Гц) — УЗНЧ
ультразвук средних частот (105 — 107 Гц) — УЗСЧ
ультразвук высоких частот (107—109 Гц) — УЗВЧ
Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.
Ультразвук подразделяют на использовании ультразвуковых колебаний низкой интенсивности и высокой интенсивности. Под ультрзавковыми колебаниями низкой интенсивности понимают такие колебания, которые не оказывают влияния на физико-химические свойства веществ и материалов, через которые они распространяются. УЗ колебаний высокой интенсивности изменяют свойства веществ и материалов, через которые эти колебания распространяются.
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 физических и технологических методах [21].
По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами является условной; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука [21]. Ультразвуковые колебания, распространяясь в различных средах, различно поглощаются этими средами, и чем выше частота колебаний, тем больше поглощение. Сильнее всего ультразвук поглощается газами [20]. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4×10-3—3,4×10-5 см, в воде 1,5×10-2—1,5 ×10-4 см и в стали 5×10-2 см — 5×10-4 см. Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше.
Сущность действия ультразвуковых волн сводиться к следующему. В каждом месте среды, куда проходит звуковая волна, периодически происходит сжатие и разряжение. При прохождении через жидкость звуковых волн большой интенсивности в местах разряжения возникает разрыв озвучиваемой среды и образуется полое пространство. В образовавшуюся полость устремляются пары окружающей жидкости и диффундируют растворенные в ней газы. Это явление называется кавитацией, при которой создается большая разница давлений и разрыв клеточной оболочки. Продолжительность жизни кавитационного пузырька почти соизмерима с периодом звукового колебания. В диапазоне высоких звуковых частот она составляет миллионные доли секунды. Находящиеся в кавитационной плоскости молекулы и атомы газов подвергаются процессам ионизации или диссоциации кавитационной полости молекулы воды (которая как бы вскипает) образуются весьма активные радикалы (Н, ОН). В таких полостях возникают богатые энергией вещества (ионизированные и активизированные молекулы и ионы, свободные радикалы Н, ОН, НО2 и т. д.), что даёт возможность осуществлять в ультразвуковом поле почти все известные химические реакции. Ультразвук может не только влиять на физические и химические процессы, но и оказывает сильное биологическое действие, резко меняя жизнедеятельность живых существ, попавших в его сферу[22].
Следующая важная особенность ультразвука — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением. Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости ультразвука [22].
К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли миллиметра, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей ультразвука) явлений. Частоты ультразвука, при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УЗНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см2. На частотах диапазона УЗСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких Вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана [21].
Особенно важным свойством ультразвуковых колебаний является их способность отражаться от границы раздела двух сред (явление, известное под названием эхо).
Количество ультразвуковой энергии, которое может перейти из одной среды в другую, зависит от разницы так называемого акустического сопротивления двух сред, числовое значение которого равняется произведению плотности (удельного веса) вещества среды на скорость распространения в ней ультразвуковых колебаний. Чем больше разница между плотностью двух веществ и чем больше разница в скорости распространения ультразвука в них, тем больше количество ультразвуковой энергии отразится от границы между этими средами [20].
Ультразвук оказывает на вещество ряд химических, физико-химических, электрохимических и других действий.
Причины некоторых изменений, происходящих под воздействием ультразвука, до сих пор не ясны, они ещё изучаются, но, независимо от этого, результаты его могут быть использованы уже теперь [20].
Химическое действие ультразвуковых волн. Химические процессы, протекающие в поле ультразвуковых волн, весьма многообразны. К ним относятся явления окисления, восстановления, распада и синтеза неорганических и органических веществ, полимеризация и деполимеризация макромолекул и, наконец, внутримолекулярные перегруппировки [22]. Под действием ультразвука происходит изменение обычных природных свойств (денатурирование) различных простых белковых веществ (протеинов) [20]. Многообразны, по-видимому, и механизмы химического действия ультразвуковых волн, как многообразны и силы, порождаемые кавитацией, обуславливающей, возникновение почти всех химических явлений, наблюдаемых в озвучиваемой среде.
В основном современные представления о механизме химического действия ультразвуковых волн отражены в существующих теориях.
Кавитационно-механическая теория. Она предусматривает возможность разрыва химических связей силами, возникающими в результате аннигиляции (уничтожение) кавитационного пузырька;
Кавитационно-резонансная теория. Эта теория считает, что химические процессы вызываются механическими силами, развивающимися в результате совпадения собственной частоты пульсации газовых пузырьков в жидкости, с частотой применяемого ультразвука. К этой теории примыкают представления о термической природе ультразвуковых химических процессов, учитывающие возможность развития большого тепла в пузырьках газа с резонансными размерами.
Кавитационно-фотоэлектрохимическая теория. Она базируется на теоретических высказываниях замечательного советского физика Френкеля. Они сводятся к тому, что в кавитационной полости, имеющей, согласно его постулату, в первоначальный период ее развития чечевицеобразную форму, возникают большие электрические напряжения. Это является результатом неравномерного распределения зарядов обоих знаков на стенках образовавшейся линзы, что может привести к электронному пробою между этими стенками. Электронный пробой сопровождается излучением в полости видимых и ультрафиолетовых лучей, что установлено рядом наблюдений. Явление это известно под термином ультразвуковой люминесценции. Отсюда предположение Френкеля о фотохимической природе ультразвуковых химических реакций.
Учет наиболее вероятных представлений о физике кавитации и анализ химических явлений, обнаруженных в поле ультразвуковых волн, позволяют высказать гипотезу о наличии двух этапов в химическом действии, обусловленном кавитационными процессами. Каждый из этих этапов связан с определенной стадией развития кавитационного пузырька.
Первый этап. Согласно Френкелю, фото- и электрохимические явления имеют место в кавитационной полости в тот период ее существования, когда давление в ней, вызываемое диффундирующими сюда газами еще мало (0,01-0,05 атм.), и когда расстояние между ее стенками не велико. Легко представить, что в этой стадии развития кавитационной полости создаются условия, которые характерны для электрического разряда при низких давлениях в присутствии газов и веществ в парообразном состоянии. Как известно, при этих условиях присутствующие газы подвергаются процессам ионизации или активации.
Важно отметить, что под этим углом зрения становятся понятными наблюдаемые химические превращения неорганических и органических веществ в озвучиваемой среде, являющейся в большинстве случаев водной средой. Процесс образования активных в химическом отношении веществ завершается, очевидно, с осуществлением электронного пробоя полости.
Второй этап. Дальнейшее развитие кавитационной полости заключается в увеличении давления в ней и потере ею чечевицеобразной формы; обрывается оно вследствие спадения (захлопывания) этой полости, что сопровождается возникновением ударной волны, силы которой являются достаточными для разрыва валентных связей.
Считается установленным, что возникающие в результате указанных воздействий ионизированные или возбужденные молекулы воды расщепляются на валентно-ненасыщенные весьма реакционноспособные Н+ и ОН¯ радикалы. Механизм так называемого радиолиза иди фотолиза воды заключается в возникновении двух параллельно протекающих реакции, приводящих к появлению свободных радикалов ОН¯ и Н+, молекулярных веществ H2O2 и Н2:
Н20→ НО– + Н+
2Н2О→ H2O2 + Н2
В присутствии молекул кислорода образуется радикал НО2:
Н++О2 → НО2
В водных растворах одни вещества связываются главным образом с Н-атомами, а другие взаимодействуют с ОН-радикалами. Иными словами, в зависимости от особенностей и структуры реагирующих ионов и молекул последние под действием ультразвуковых волн избирательно подвергаются процессам восстановления или окисления.
От природы газов, присутствующих в исследуемой воде, зависит также образование под действием ультразвуковых волн перекиси водорода, играющей значительную роль в инициировании ряда химических процессов. Образование Н202 наблюдается преимущественно в том случае, когда в озвучиваемой воде содержится кислород. На кинетику этого процесса оказывают влияние и другие газы.
При отсутствии в кавитационной полости газов, в частности кислорода, большая часть продуктов расщепления ионизированных частиц воды рекомбинируется: ОН¯ + Н+→Н2О. При наличии же в полости кислорода, рекомбинация ОН¯ и Н+ угнетается в результате следующей реакции:
Н+ + 02→НО2.
Появление радикала НО2 усиливает процессы окисления, сопровождающиеся образованием Н2О2 [4]:
НО2 + НО2→ Н2О2 + О2
ОН ¯+ ОН¯→Н2О2.
Под воздействием ультразвуковых волн происходит изменение различных макромолекул как растительного, так и животного происхождения. Подробно исследован протекающий в зоне ультразвуковых волн распад углеводов (моно-, ди- и полисахаридов). Так, например, в озвученных водных растворах дисахарида – сахарозы, происходит разрыв так называемого кислородного мостика, который связывает между собой отдельные моносахариды, входящие в состав этой сложной молекулы.
Разрыв кислородных мостиков происходит и при воздействии ультразвуковых волн на высокомолекулярные (высокополимеризованные) полисахариды.
Деполимеризующее действие ультразвуковых волн установлено так же при озвучивании водных растворов высокополимерных нуклеиновых кислот, которые играют огромную роль в биохимических процессах. Нуклеиновые кислоты входят в состав ядерного вещества и цитоплазмы клеток.
Следует отметить, что действие ультразвуковых волн на макромолекулы не сопровождается распадом последних на отдельные молекулярные звенья или мономеры. Происходит разрыв молекулы на молекулярные осколки, обладающие еще довольно большим молекулярным весом. В результате такого расщепления могут образоваться разные длинноцепные радикалы, способные взаимодействовать между собой.
Своеобразные изменения претерпевают в поле ультразвуковых волн макромолекула белка. Наблюдаемые изменения касаются не только концевых или боковых групп молекулы, - в этих случаях отмечается более глубокий распад последней. Так, например, молекулярный вес яичного альбумина под действием ультразвуковых волн уменьшается на 30-40%.
Однако под действием ультразвуковых волн наблюдается не только расщепление белковой молекулы на отдельные осколки, но при определенных условиях (при насыщении белкового раствора газообразным водородом) отмечается и увеличение молекулярного веса белка, то есть его укрупнение.
Ультразвуковые волны оказывают влияние и на ферменты, которые играют исключительную роль в жизнедеятельности клеток. Ферменты – белки, обладающие биокаталитическими функциями, то есть способностью в самых незначительных количествах изменять скорость химических превращений.
Ферменты, как известно, могут быть изолированы из клеток и использованы в медицине и пищевой промышленности. Оказалось, что изолированные и очищенные от посторонних продуктов ферменты в большинстве случаев под действием ультразвуковых волн теряют свою ферментативную активность. Потеря ферментативной активности тесно связана с кавитационными явлениями, о чем свидетельствует возможность регулирования кинетики данного процесса путем прибавления тех или иных веществ.
Наряду с этим выявлено, что в ряде случаев ультразвуковые волны вызывают повышение активности ферментов, если озвучиваемые ферменты находятся не в очищенном, изолированном состоянии, а органически связаны с клеточными структурами, чаще всего со структурами оболочек или мембран живых клеток [23].
Таким образом, мы можем сделать вывод, что действие ультразвуковых волн очень многогранно и требует новых и новых исследований.
В микробиологических исследованиях ультразвуковые колебания использовались для разрушения бактериальных клеток с целью дезинфекции и стерилизации, для инактивации вирусов, изменения вирулентности микробов, получения бактериальных энзимов и токсинов [24]. В основе летального действия ультразвука на микроорганизмы лежит кавитация. В процессе ультразвука микробные клетки подвергаются моментальному разрушению. В клетках подвергших механическому сотрясению происходит разжижение протоплазмы, увеличение клетки в размерах, а затем разрыв клеточной стенки. Воздействие ультразвука происходит коагуляция белков внутри клетки и нарушение ее жизненных функций. В результате чего погибают как аэробные, так и анаэробные патогенные микроорганизмы. Бактерии туберкулеза, обладающие, как известно, высокой устойчивостью к большинству физических факторов, так же подвергаются разрушению ультразвуковыми волнами. В поле ультразвуковых волн гибнут животные и растительные клетки, простейшие и микроорганизмы. При определенной интенсивности и продолжительности озвучивания можно вызвать гибель почти всех видов бактерий. В поле ультразвуковых волн разрушаются дизентерийные палочки, паратифозные бактерии, бациллы столбняка, возбудители пищевых отравлений – сальмонеллы, лучистые грибки – актиномицеты, отдельные виды которых вызывают у человека и животных специфическое заболевание – актиномикоз [25]. При изучении бактерицидного действия ультразвуковых волн было установлено, что эффект обеззараживания зависит от ряда факторов. Прежде всего, было отмечено, что степень бактерицидности ультразвука находиться в прямой зависимости от интенсивности. Исследования склоняются к заключению, что, варьируя частотой, интенсивностью и продолжительностью озвучивания, можно воздействовать практически на все виды микроорганизмов. Некоторые ученые считают, что наиболее эффективным действие ультразвука бывает, когда размеры микроорганизмов совпадают с длиной ультразвуковой волны. Этим они объясняют наблюдавшийся ими разрыв инфузорий в воде и значительную устойчивость клеток кишечной палочки. Однако размеры микробной клетки составляют несколько микронов, а длина ультразвуковой волны, даже при высокой частоте колебаний, равна нескольким десятым миллиметра и, следовательно, значительно превышает размеры микробной клетки [26].
Установлено, что разные биологические объекты отличаются между собой по своей чувствительности к действию этого физического агента (избирательное действие ультразвука). Об избирательном действии судили на основании данных о выживаемости озвучиваемых объектов. Предполагалось, что под действием ультразвуковых волн биологические объекты, взвешенные в водной среде, либо подвергаются грубым механическим разрушениям, либо полностью остаются неповрежденными. Однако действие ультразвука не сводится только к механическим разрывам клеток и клеточных структур; в результате этого воздействия довольно часто наблюдаются тонкие биохимические и функциональные изменения, не приводящие к гибели организма [26].
Действие ультразвуковых волн на микроорганизмы зависит определенным образом от количества клеток в единице объема озвучиваемой жидкости (их концентрации). В более концентрированной взвеси микробов озвучивание менее эффективно. При этом так же имеет значение особенности строения микробной клетки, в частности строение её оболочки. Механические упругие колебания вызывают механические разрывы озвучиваемых микроорганизмов, в первую очередь их оболочек или пограничных мембран. И поэтому характер разрыва различных микробных клеток, разнообразен.
Необходимо прибавить что, по мнению ряда исследователей, чувствительность микробов к действию ультразвуковых волн зависит от форм исследуемых микроорганизмов.
И действительно, если судить по способности озвученной культуры давать рост при последующем посеве, то окажутся крайне чувствительными к ультразвуковым волнам нитевидные формы микробов, менее чувствительными – палочковидные, весьма устойчивыми являются сферические – стафилококки и стрептококки [25]. Так, по наблюдению Леонтьева, бактериофаги, имеющие шаровидную форму, более устойчивы, чем имеющие форму шара с хвостом [27].
Крупные ниточные бактерии разрываются на части быстрее, чем кокообразные формы. Строение оболочки клетки микроорганизма определяет в значительной степени ее устойчивость к действию ультразвука. Большое количество исследований действия ультразвуковых колебаний на микроорганизмы показало, что практически удается достигнуть разрушения клеток большинства микроорганизмов, бактериофагов, различных бацилл, стрептококков, гонококков и других. Даже наиболее стойкие спороносные бациллы полностью уничтожаются при воздействии ультразвука [26].
Однако имеются данные, показывающие, что чувствительность к ультразвуковым волнам не всегда определяется размерами и формой озвучиваемых микроорганизмов [24].