Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей. Применение ультразвуковых исследований в медицине

Рис. 2 Принцип действия жидкостного  генератора.

Рис. 2 Принцип действия жидкостного  генератора.

Струя жидкости, выходя из сопла  с большой скоростью, разбивается  об острый край пластинки, по обе стороны  которой  возникают завихрения, вызывающие изменения давления с большой  частотой.

Для работы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см2. частота колебаний такого генератора определяется соотношением:

,

где v – скорость жидкости, вытекающей из сопла;  d – расстояние между острием и соплом.

Гидродинамические излучатели в жидкости дают относительно дешевую УЗ-вую энергию на частотах до 3040 кГц при интенсивности в непосредственной близости от излучателя до нескольких Вт/см2.

Механические  излучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне  звуковых волн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их изготовление не дорого, но они не могут создавать монохроматическое  излучение и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие  излучатели отличаются нестабильностью  частоты и амплитуды, однако при  излучении в газовых средах они  имеют относительно высокую эффективность  и мощность излучения: их кпд составляет от  нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятков кВт.

Электроакустические преобразователи

Излучатели второго типа основываются на различных физических эффектах электромеханического преобразования. Как правило, они линейны, то есть воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном УЗ-вом диапазоне применяются электродинамические излучатели и излучающие магнитострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Наиболее широкое распространение получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрического типов.

В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом. Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока.

Чтобы частота  колебаний излучателя соответствовала  частоте возбуждающего тока, в  обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного  излучателя увеличивается амплитуда  переменной магнитной индукции, что  приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности.

Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ-вых магнитострикционных преобразователей (рис. 3).

 

Рис.3  Магнитострикционный  преобразователь

Рис.3  Магнитострикционный  преобразователь

 Эти преобразователи  отличаются большими относительными  деформациями, повышенной механической  прочностью, малой чувствительностью  к температурным воздействиям. Магнитострикционные  преобразователи имеют небольшие  значения электрического сопротивления,  в результате чего для получения  большой мощности не требуются  высокие напряжения.

Чаще всего  применяют преобразователи из никеля (высокая стойкость против коррозии, низкая цена). Магнитострикционные  сердечники могут быть изготовлены  и из ферритов. У ферритов высокое  удельное сопротивление, в результате чего потери  на вихревые токи в них  ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий  материал, что вызывает опасность  их перегрузки при большой мощности. Кпд магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и  твердое тело составляет 5090%., интенсивность  излучения достигает нескольких десятков Вт/см2.

В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект – если деформировать пластинку  кварца, то на ее гранях появляются противоположные  по знаку электрические заряды. Наблюдается  и обратное явление – если к  электродам кварцевой пластинки  подвести электрический заряд, то ее размеры уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого  заряда. При изменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка  будет то сжиматься, то разжиматься, то есть она будет колебаться в  такт с изменениями знаков приложенного напряжения. Изменение толщины пластинки  пропорционально приложенному напряжению.

Принцип пьезоэлектрического  эффекта используется при изготовлении излучателей УЗ-вых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические. В качестве пьезоэлектрических материалов применяют кварц, титанат бария, фосфат аммония.

Кпд пьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность  излучения – несколько десятков Вт/см2. Для увеличения интенсивности  и амплитуды колебаний  используют УЗ-вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-вых частот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в виде пьезоэлектрического преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюся волну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 105-106 Вт/см2.

Приемники ультразвука

В качестве приемников ультразвука  на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические  преобразователи пьезоэлектрического  типа. Такие приемники позволяют  воспроизводить форму акустического  сигнала, то есть временную зависимость  звукового давления. В зависимости  от условий применения приемники  делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового  поля используют термическими приемниками  звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов. Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими  методами, например по дифракции света  на УЗ.

Применение ультразвука

Многообразные применения УЗ, при которых используются различные  его особенности, можно условно  разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗ-вых волн, второе – с активным воздействием на вещество и третье – с обработкой и передачей сигналов. При каждом конкретном применении используется УЗ определенного частотного диапазона (табл. 1). Расскажем лишь о некоторых из многочисленных областей, где нашел применение УЗ.

Ультразвуковая очистка

Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при  полоскании деталей на их поверхности  остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, а при ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные  места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.

Ультразвуковая  очистка – сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием  больших ускорений в очищающей  жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1  

 Применения | Частота в герцах |

  | 103   104       105       106       107       108         109        1010 1011 |

 Получение информации | Научные исследования | в газах, жидкостях |      |  |  |

  |  | в твердых телах |  |  |  |  |

  | О свойствах и составе веществ;о технологических процессах | в газах |  |  |  |  |  |  |  |

  |  | в жидкостях |  |  |  |  |  |  |  |

  |  | в твердых телах |  |  |  |  |

  | гидролокация |  |  |  |  |  |  |  |

  | УЗ дефектоскопия |  |  |  |  |  |  |

  | контроль размеров |  |  |  |  |  |  |  |

  | Медицинская диагностика |  |  |  |  |  |  |  |

 Воздействие на вещество | Коагуляция аэрозолей |  |  |  |  |  |  |  |

  | Воздействие на горение |  |  |  |  |  |  |  |

  | Очистка |  |  |  |  |  |  |  |  |

  | Воздействие на химические процессы |  |  |  |  |  |  |  |  |

  | Эмульгирование |  |  |  |  |  |  |

  | Диспергирование |  |     |  |  |  |  |  |  |

  | Распыление |  |  |  |  |  |  |  |  |

  | Кристаллизация |  |    |  |  |  |  |  |  |

  | Металлизация, пайка |  |     |  |  |  |  |  |  |

  | Механическая обработка |  |   |  |  |  |  |  |  |

  | Сварка |  |   |  |  |  |  |  |  |

  | Пластическое деформирование |  |   |  |  |  |  |  |  |

  | Терапия |  |  |        |  |  |  |  |

  | Хирургия |  |  |     |  |  |  |  |

 Обработкасигналов | Линии задержки |  |  |  |  |  |

  | Фильтры |  |  |  |  |  |

  | Акустооптические  устройства |  |  |  |  |  |

  | Преобразователи сигналов в акустоэлектронике |  |  |  |  |  |  |

 

жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны  кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.

Серьезной проблемой  является борьба с загрязнением воздуха  пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д.  Ультразвуковой метод очистки  газа и воздуха может применяться  в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить УЗ-вой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. В чем сущность УЗ-вой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные и утяжеленные частицы специальными фильтрами.

Механическая обработка  сверхтверды и хрупких материалов

Если между рабочей  поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 4).

 

Рис.4  Ультразвуковая обработка  материалов.

1 – ультразвуковой  инструмент;

2 – абразивные  зерна;

3 – обрабатываемая  деталь;

Рис.4  Ультразвуковая обработка  материалов.

1 – ультразвуковой  инструмент;

2 – абразивные  зерна;

3 – обрабатываемая  деталь;

 

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии  абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые  в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

Ультразвуковая сварка

Из существующих методов  ни один не подходит для сварки разнородных  металлов или если к толстым деталям  нужно приварить тонкие пластины. В этом случае УЗ-вая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при УЗ-вой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

Ультразвуковая  сварка происходит при температуре  значительно меньшей температуры  плавления, поэтому соединение деталей  происходит в твердом состоянии. С помощью УЗ можно сваривать  многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие  результаты получаются при сварке тонколистовых  разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры)

Ультразвуковая пайка  и лужение

В промышленности все большее  значение приобретает УЗ-вая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.

В настоящее время одним  из эффективных методов пайки  алюминия является ультразвуковой, пайка  с применением УЗ производится без  флюса. Введение механических колебаний  ультразвуковой частоты в расплавленный  припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной  пленки и облегчает смачивание припоем  поверхности.

Принцип УЗ-вой пайки алюминия заключается в следующем. Между паяльником  и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием УЗ-вых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой  детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла.

Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука

 

   * Применение ультразвука  позволяет значительно ускорить  смешивание различных жидкостей  и получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода и ртуть).

   * Воздействуя УЗ-выми колебаниями большой интенсивности на жидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности.

   * Сравнительно недавно  начали применять УЗ для пропитки  электротехнических намоточных  изделий. Применение УЗ позволяет  сократить время пропитки в  35 раз и заменить 2-3 кратную пропитку  одноразовой.

   * Под действием  УЗ значительно ускоряется процесс  гальванического осаждения металлов  и сплавов.

   * Если в расплавленный  металл вводить УЗ-вые колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость.