Материал: kompendium_po_fizike

16



Объемная

плотность

энергии

: 













3

м

Вт

V

E

w

 – 

количество

энергии

, 

приходящееся

на

единицу

объема

среды

, 

в

которой

происходит

перенос

энергии

. 



Интенсивность

: 

















2

1

м

Вт

dt

dE

S

S

I

 – 

отношение

потока

энергии

, 

нормально

проходящего

через

площадь

, 

к

этой

площади

. 

Эти

величины

связаны

следующими

соотношениями

: 

wSv





, 

wv

S

I







/

, 

v

w

I







. 



Вектор

v

w

I







, 

показывающий

направление

распространения

энергии

в

среде

, 

называется

вектором

Умова

. 

Для

упругих

волн

этот

вектор

может

быть

вычислен

по

формуле

: 

v

A

I





2

2

2







. 

17

УЛЬТРАЗВУК

И

ИНФРАЗВУК

1. 

Получение

ультразвука

 (

излучатели

и

приемники

УЗ

) 

Механические

волны

с

частотой

выше

 20 

кГц

называются

ультразвуковыми

. 

Диапазон

ультразвуковых

колебаний

простирается

до

 10

9 

Гц

. 

Для

получения

ультразвука

используются

электромеханические

УЗ

излучатели

. 

Принцип

действия

таких

излучателей

основан

на

явлении

обратного

пьезоэлектрического

эффекта

  (

электрострикции

), 

сущность

которого

заключается

в

механической

деформации

тел

под

действием

электрического

поля

. 

УЗ

излучатель

  (

рисунок

 7) 

состоит

из

пластины

 (1), 

выполненной

из

веществ

с

хорошо

выраженными

пьезоэлектрическими

свойствами

  (

кварц

, 

сегнетова

соль

и

т

.

д

.), 

электродов

 (2) 

и

генератора

переменного

электрического

напряжения

 (3). 

Рисунок

 7. 

Ультразвуковой

излучатель

При

подаче

на

электроды

переменного

напряжения

от

генератора

пластина

начнет

деформироваться

. 

Величина

деформации

пропорциональна

приложенному

напряжению

. 

Возникают

вынужденные

колебания

, 

частота

которых

соответствует

частоте

генератора

. 

Вибрация

пластины

приводит

к

возникновению

механической

волны

соответствующей

частоты

. 

Для

получения

ультразвука

может

быть

использован

также

эффект

, 

называемый

магнитострикцией

– 

возникновение

механической

деформации

тел

под

действием

магнитного

поля

. 

Изменяется

длина

ферромагнитного

стержня

  (

феррит

никеля

), 

помещенное

в

ВЧ

магнитное

поле

катушки

с

частотой

изменения

направления

поля

 (V 

до

 10

5

Гц

). 

Приемник

УЗ

 (

рисунок

 8) 

можно

создать

на

основе

прямого

пьезоэлектрического

эффекта

. 

В

этом

случае

под

действием

18

механической

УЗ

волны

возникает

деформация

кристаллической

пластины

 (1), 

которая

приводит

к

генерации

переменного

электрического

поля

и

появлению

переменного

напряжения

на

электродах

 (2). 

Это

напряжение

можно

измерить

регистрирующей

системой

 (3). 

Рисунок

 8. 

Ультразвуковой

приемник

2. 

Особенности

распространения

ультразвуковой

волны

: 

малая

длина

волны

, 

направленность

, 

поглощение

, 

преломление

, 

отражение

По

физической

сущности

УЗ

не

отличается

от

звука

и

представляет

собой

механическую

волну

. 

При

ее

распространении

образуются

чередующиеся

участки

сгущения

и

разряжения

частиц

среды

. 

Скорость

распространения

УЗ

и

звука

в

средах

одинаковы

: 

в

воздухе

 – 330 

м

/

с

, 

в

жидкости

 – 1500 

м

/

с

. 

Длина

волны

УЗ

существенно

меньше

длины

звуковой

волны

. 

Так

, 

например

, 

для

звука

с

частотой

 1 

кГц

длина

волны

1,5 

м

, 

а

для

ультразвука

с

частотой

 1 

МГц

длина

волны

составляет

 1,5 

мм

. 

Благодаря

малой

длине

волны

отражение

и

дифракция

УЗ

происходит

на

объектах

меньших

размеров

, 

чем

для

слышимого

звука

, 

т

.

е

. 

тело

размером

 10 

см

не

будет

препятствием

для

звуковой

волны

, 

но

станет

препятствием

для

ультразвуковой

, 

т

.

е

. 

за

телом

образуется

УЗ

тень

. 

При

определенных

условиях

УЗ

волна

распространяется

направленным

потоком

, 

к

которому

применимы

законы

геометрической

оптики

. 

При

прохождении

УЗ

через

вещество

происходит

его

ослабление

вследствие

поглощения

: 

kx

e

I

I





0

, 

где

I

и

I

0

интенсивности

волны

у

поверхности

вещества

и

на

глубине

х

,

соответственно

, 

k

 – 

показатель

поглощения

, 

зависящий

от

свойств

среды

. 

19

Поглощение

УЗ

в

веществе

весьма

значительно

, 

что

обусловлено

его

малой

длиной

волны

. 

С

уменьшением

длины

волны

  (

т

.

е

. 

с

увеличением

частоты

) 

показатель

поглощения

k

увеличивается

. 

При

прохождении

ультразвуковой

волны

через

границу

раздела

сред

с

различными

волновыми

сопротивлениями

происходит

его

преломление

и

отражение

. 

Законы

, 

которым

подчиняются

эти

явления

, 

полностью

аналогичны

законам

преломления

и

отражения

света

, 

поэтому

во

многих

случаях

распространение

УЗ

волн

изображают

с

помощью

лучей

. 

На

рисунке

 9 

показано

преломление

и

отражение

волны

в

случае

, 

когда

волновое

сопротивление

первой

среды

меньше

, 

чем

второй

. 

Энергия

падающей

волны

распределяется

между

преломленной

и

отраженной

волнами

. 

Чем

сильнее

различаются

волновые

сопротивления

сред

, 

тем

большей

энергией

будет

обладать

отраженная

волна

. 

Волновое

сопротивление

биологических

сред

примерно

в

 3000 

раз

больше

волнового

сопротивления

воздуха

, 

поэтому

отражение

на

границе

раздела

воздух

-

кожа

составляет

 99,99%. 

Чтобы

уменьшить

отражение

, 

необходимо

избавиться

от

слоя

воздуха

между

излучателем

УЗ

и

кожей

. 

Для

этого

поверхность

кожи

покрывают

специальной

смазкой

, 

обладающей

акустическим

сопротивлением

, 

близким

к

сопротивлению

кожи

. 

3. 

Взаимодействие

УЗ

с

биологическими

тканями

: 

деформация

, 

кавитация

, 

выделение

тепла

, 

химические

реакции

При

распространении

УЗ

волны

в

веществе

развиваются

Среда

 1 

Среда

 2 

γ

β

Рисунок

 9. 

Отражение

и

преломление

звуковых

волн

на

границе

раздела

сред

20

деформации

, 

связанные

с

поочередным

сгущением

и

разряжением

частиц

в

среде

. 

В

зависимости

от

значения

интенсивности

волны

эти

деформации

могут

вызвать

либо

незначительные

изменения

структуры

, 

либо

ее

разрушение

. 

При

распространении

УЗ

в

жидкости

в

областях

разряжения

возникают

растягивающие

силы

, 

которые

могут

привести

к

разрыву

в

сплошной

жидкости

в

данном

месте

и

образованию

пузырьков

, 

заполненных

парами

этой

жидкости

. 

Это

явление

называется

кавитацией

. 

Кавитационные

пузырьки

образуются

, 

когда

растягивающее

напряжение

в

жидкости

становится

больше

некоторого

критического

значения

, 

называемого

порогом

кавитации

  (

Р

к

), 

для

воды

, 

например

, 

Р

к

 = 1,5·10

8

Па

. 

Кавитация

существует

недолго

, 

т

.

к

. 

пузырьки

быстро

захлопываются

. 

В

результате

вблизи

захлопнувшихся

пузырьков

выделяется

значительная

энергия

, 

происходит

разогрев

вещества

, 

а

также

ионизация

и

диссоциация

молекул

. 

Поглощение

ультразвука

веществом

сопровождается

переходом

механической

энергии

во

внутреннюю

энергию

вещества

, 

что

ведет

к

его

нагреванию

. 

Наиболее

интенсивное

нагревание

происходит

в

областях

, 

примыкающих

к

границам

раздела

сред

с

различными

волновыми

сопротивлениями

. 

Это

обусловлено

тем

, 

что

при

отражении

интенсивность

волны

вблизи

границы

увеличивается

, 

и

, 

соответственно

, 

возрастает

количество

поглощенной

энергии

. 

Под

воздействием

УЗ

в

веществе

могут

происходить

изменения

в

окислительно

-

восстановительных

реакциях

. 

При

этом

могут

протекать

даже

такие

реакции

, 

которые

в

обычных

условиях

неосуществимы

. 

Так

, 

например

, 

возможна

реакция

расщепления

молекулы

воды

на

радикалы

Н

+

и

ОН

–

с

последующим

образованием

перекиси

водорода

Н

2

О

2

. 

4. 

Использование

УЗ

в

медицине

: 

терапии

, 

хирургии

, 

диагностике

Терапевтическое

действие

УЗ

обусловлено

механическим

, 

тепловым

, 

химическим

факторами

. 

Их

совместное

действие

улучшает

проницаемость

мембран

, 

расширяет

кровеносные