1.1 Ультразвуковые волны и особенности их распространения

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда — он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения — средой, а длина волны — и источником звука, и средой.

Звук — это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рисунок 1- Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

Звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны (рисунок 2):

1) инфразвук – до 16 Гц;

2) слышимый звук – 16-20000 Гц;

3) ультразвук – 20 кГц – 1000 МГц.

Механические колебания и волны при частоте ниже 16 Гц называют инфразвуковыми. Инфразвуковые волны человеческое ухо не воспринимает. Несмотря на это, они способны оказывать на человека определенные физиологические воздействия. Объясняются эти действия резонансом. Внутренние органы нашего тела имеют достаточно низкие собственные частоты: брюшная полость и грудная клетка – 5-8 Гц, голова – 20-30 Гц. Среднее значение резонансной частоты для всего тела составляет 6 Гц. Имея частоты того же порядка, инфразвуковые волны заставляют наши органы вибрировать и при очень большой интенсивности способны привести к внутренним кровоизлияниям. Например, на частоте 4-8 Гц человек ощущает перемещение внутренних органов, а на частоте 12 Гц – приступ морской болезни. Лечебное применение подобных колебаний можно видеть на примере вибрационного массажа.

Инфразвук Слышимый звук Ультразвук

16 20000 f, Гц

Рисунок 2 – Частотная шкала звуковых колебаний

Механические колебания и волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц называются звуковыми и воспринимаются ухом.

Механические колебания и волны с частотой выше 20 кГц называются ультразвуковыми (или просто ультразвуком) и ухом не воспринимаются. Верхний предел спектра ультразвуковых колебаний не установлен. Он обусловлен физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул; при нормальном давлении она составляет – 10⁹Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 10¹²-10¹³Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения. Область УЗ удобно разделить на 3 подобласти: низкие УЗ частоты – 1,5×10⁴÷10⁵; средние – 10⁵÷10⁷, и высокие – 10⁷÷10⁹. Упругие волны с частотами 10⁹÷10¹²Гц принято называть гиперзвуком [1].

В звуковых и ультразвуковых волнах колебания частиц происходят в том же направлении, что и распределение волны. Такие волны, называемые продольными, представляют собой чередующиеся участки сгущения и разряжения вещества, перемещающиеся в направлении распространения волны. В твердых веществах могут образовываться, кроме продольных, также и поперечные звуковые или ультразвуковые волны.

Скорость распространения волны зависит от упругих свойств и плотности среды; в жидкостях она выше, чем в газах, а в твёрдых телах выше, чем в жидкостях.

В воздухе ультразвуковые волны распространяются со скоростью около 330 м/с. Скорость распространения ультразвука в различных мягких тканях организма находится в пределах 1445-1600 м/с, не отличаясь более чем на 10% от скорости распространения в воде (около 1500 м/с).

В костной ткани скорость распространения выше – около 3370 м/с. Например, при используемой в ультразвуковой терапии частоте 880 кГц длина волны в воде и мягких тканях тела имеет величину порядка 1,6-1,8 мм.

В таблице 1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека [2].

Таблица 1 - Скорость распространения ультразвука в мягких тканях.

Для создания и поддержания ультразвуковой волны требуется постоянная передача в среду энергии источника колебаний. Эта энергия в процессе колебания частиц среды около положения равновесия передается от одной частицы другой так, что в ультразвуковой волне происходит передача энергии без переноса самого вещества.

Происходящие в ультразвуковой волне колебательные движения частиц вещества характеризуются очень малой амплитудой смещения и чрезвычайно большими ускорениями. Так, например, при частоте 880 кГц частицы тканей тела, в которых распространяется волна с интенсивностью 2 Вт/см² (максимальная интенсивность, используемая при ультразвуковой терапии), колеблются с амплитудой порядка 3,5×10^-6см. Максимальное ускорение достигает при этом 90×10⁶см/с², что превышает величину ускорения свободного падения тел почти в 100 тыс. раз.

Огромные ускорения и значительные давления, испытываемые частицами среды при ультразвуковых колебаниях, определяют в значительной степени действие ультразвука (в том числе и лечебное) на ткани организма.

При распространении ультразвуковой волны происходят потери энергии на нагрев частиц среды. Интенсивность ультразвука уменьшается при этом по экспоненциальному закону. Для характеристики этого процесса используют понятие «глубина проникновения». Глубина проникновения равна расстоянию до поверхности, на которой интенсивность ультразвуковой волны уменьшилась в ераз (е≈2,7 – основание натуральных логарифмов). Поглощение энергии увеличивается с частотой колебаний, соответственно уменьшается глубина проникновения. На частоте 880 кГц глубина проникновения ультразвуковой энергии в мышечные ткани составляет около 5 см, в жировые ткани – около 10 см, в кости – около 0,3 см. Малые потери энергии в слоях жировой ткани и, следовательно, незначительный их нагрев при достаточном проникновении энергии в мышцы обеспечивают хорошие условия для терапевтического применения ультразвука (рис. 3).

Рисунок 3 - Распределение поглощённой механической энергии в тканях организма при УЗ-терапии (К - кожа, М - мышцы, КТ - костная ткань).

Вместе с тем, распределение ультразвуковой энергии между слоями тканей тела имеет характерную особенность, заключающуюся в интенсивном нагреве костных тканей. Это отличает действие ультразвука от действия электромагнитной волны и должно учитываться при проведении процедур ультразвуковой терапии [1].

Таким образом, применение ультразвука из-за его свойств достаточно широко, в том числе он применяется и в интересующей нас сфере – медицине, а в частности физиотерапии.