Излучатели ультразвука. 
Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии

Существует множество устройств-преобразователей, применяемых для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газах, жидкостях и твердых телах. Эти устройства преобразуют тепловую, механическую, электрическую или другие виды энергии в энергию ультразвукового поля.

Проще всего получить ультразвук, используя обычную струну. Частота колебаний струны, как известно, зависит от длины и, постепенно укорачивая ее, можно извлекать все более высокие звуки. Струна длиной в 10 см колеблется уже с частотой 25 кГц, находящейся за пределами возможностей человеческого слуха.

Струна в качестве механического преобразователя используется в монохорде — приборе для определения верхнего предела слышимости.

Этим, однако, и ограничивается применение монохорда, поскольку колебания струны обладают слишком малой энергией и быстро затухают.

Наиболее удобными для исследовательских и практических целей в ветеринарии, медицине, экспериментальной биологии и ультразвуковой технологии оказались электроакустические преобразователи, в частности пьезоэлектрические и магнитострикционные. Нашли применение также струйные излучатели — ультразвуковые свистки, преобразующие кинетическую энергию струи газа или жидкости в энергию акустических колебаний. Газоструйные излучатели наиболее эффективны для получения аэрозолей в больших объемах.

Излучатели ультразвука характеризуются мощностью излучения, частотой колебаний, направленностью излучения, коэффициентом полезного действия.

Наибольшее распространение в ультразвуковой медицинской технике получили пьезоэлектрические преобразователи. Позволяя получать акустические колебания в диапазоне частот от нескольких кГц до десятков и сотен МГц, они используются в аппаратах для ультразвуковой терапии, в диагностических приборах, применяемых в медицине и ветеринарии, в устройствах для ультразвуковой стимуляции биотехнологичесих процессов.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на эффекте, открытом в 1860 г. Пьером и Жолио Кюри, наблюдавшими его у кварца и некоторых других кристаллов.

Если пластинку, определенным образом вырезанную из пьезоэлектрика, подвергнуть деформации, то на ее поверхности появятся электрические заряды. Это явление получило название прямого пьезоэффекта.

При внесении пластинки в электрическое поле она деформируется, и величина деформации линейно зависит от напряженности электрического поля (обратный пьезоэффект). Переменное электрическое поле вызывает периодические деформации в пьезоэлектрике, частота которых равна частоте изменения электрического поля. Амплитуда деформации достигает наибольших значений, если частота переменного электрического поля совпадает с собственной частотой колебаний преобразователя, определяемой его размерами.

Периодические деформации пьезоэлектрического преобразователя и служат источником акустических волн.

В ветеринарии, биотехнологии и экспериментальной биологии наряду с высокочастотным ультразвуком используется и ультразвук низкой частоты, весьма эффективный для решения ряда практических задач.

Ультразвук в диапазоне частот от самых низких и до примерно 100 кГц чаще всего получают, применяя магнитострикционные преобразователи, представляющие собой сердечник с навитой на него обмоткой. Переменный ток, протекающий по обмотке, создает переменное магнитное поле, преобразующееся в энергию механических колебаний сердечника. Следует отметить, что этот эффект обратим, т. е. если деформировать сердечник, то в нем возникает магнитное поле, которое вызывает в обмотке появление электрического тока.

В зависимости от поставленной цели магнитострикционные преобразователи используют в сочетании с теми или иными пассивными элементами — диафрагмами, если необходимо воздействовать на процессы, протекающие в жидкости, или стержневыми концентраторами, обеспечивающими увеличение амплитуды колебаний и составляющими основу ультразвуковых хирургических инструментов.

В медицине и ветеринарии газоструйные излучатели не получили широкого распространения. Они применяются только для получения аэрозолей в больших производственных помещениях — на фермах, птицефабриках и пр.

В отличие от магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей газоструйные излучатели генерируют колебания в широком диапазоне частот, в том числе звуковых. Этим существенно ограничивается применение газоструйных аэрозольных генераторов, так как их работа сопровождается сильным шумом.

Газоструйный генератор аэрозоля представляет собой совокупность ультразвукового свистка и пульверизатора (рис. 1.9). Воздушная струя увлекает с собой жидкость из резервуара и вместе с нею через кольцевой зазор попадает на отражатель. Часть смеси воздуха с каплями жидкости отражается во внутренний объем. Здесь давление периодически повышается до критических значе.

ние. 1.9. Газоструйный генератор аэрозоля:

1 — подача сжатого воздуха; 2 — отражатель кольцевой струи; 3 — кольцевые сопла ний, достаточных для разрыва кольцевой струи. После этого давление в резонирующем объеме снова падает ниже критического, и цикл повторяется.

Такой газоструйный излучатель ультразвука обеспечивает дробление захваченной струей воздуха жидкости на капли микронных размеров, образующих стабильное облако аэрозоля.