Приемники ультразвука. 
Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии

Обнаружить в жидкости поле ультразвука относительно большой интенсивности достаточно просто по совокупности характерных признаков: появлению на поверхности жидкости ряби, а при более высоких интенсивностях и фонтана; по акустическим течениям, приводящим к перемешиванию жидкости; по кавитации, сопровождающейся характерным шумом, ультразвуковым свечением, специфическими химическими реакциями, эрозией поверхности предметов в ультразвуковом поле; по выделению тепла, особенно на границах тел с отличающимися акустическими сопротивлениями и т. д.

Измерить параметры ультразвука — его интенсивность, амплитуду колебания, колебательную скорость и ускорение частиц в ультразвуковой волне, а также ультразвуковое давление — можно при помощи специальных устройств — приемников ультразвука. Приемники, размеры которых намного больше длины волны ультразвука, дают усредненные значения измеряемой величины, а структуру ультразвукового поля можно получить лишь с помощью приемников, размеры которых меньше длины волны.

В биомедицинской практике, как правило, учитывают частоту и интенсивность ультразвука, а также форму поля. В биотехнологии при использовании низкочастотного ультразвука измеряют плотность акустической энергии в среде.

Частота ультразвука обычно задается конструкцией и параметрами излучателей. Частота не может быть выбрана произвольно, она должна соответствовать одной из частот, разрешенных Международной электротехнической комиссией.

В медицине и экспериментальной биологии для воздействия на организм с хирургической или терапевтической целью обычно используют ультразвук с частотами 22, 44, 880 кГц, 2,65 МГц, а также ультразвук более высоких частот в диапазоне 2…10 МГц для применения в диагностике.

Природа ультразвуковых эффектов качественно одинакова в широком диапазоне частот, и лишь количественные различия приводят к появлению характерных особенностей, оправдывающих условное деление ультразвукового диапазона на низкочастотный и высокочастотный.

Биологическое действие ультразвука весьма существенно зависит от его интенсивности, меняя которую, можно получить любые эффекты — от стимуляции до разрушения. Поэтому выбор, а значит, и измерение интенсивности ультразвука требует особой тщательности.

Из множества разработанных к настоящему времени методов измерения интенсивности ультразвука в медицине чаще всего используется радиометр (ультразвуковые весы), позволяющий определить усредненную интенсивность подавлению звукового излучения.

Для более точных измерений используют калориметрический метод, основанный на измерении изменения температуры в теплоизолированном сосуде (термосе), заполненном поглощающим ультразвук веществом. Этот метод, так же, как и радиометрический, позволяет определить только средние значения интенсивности ультразвука и характеризуется еще большей инерционностью.

Для измерения интенсивности ультразвука в разных точках поля и в тех случаях, когда необходимо знать характер быстрых изменений интенсивности ультразвука во времени, используют ультразвуковые приемники-зонды, размеры которых меньше длины волны.

Рис. 1.10. Конструкция миниатюрного гидрофона:

Простейший по конструкции ультразвуковой зонд представляет собой дифференциальную термопару, один из спаев которой сенсибилизирован слоем эпоксидной смолы.

Пьезоэлектрические приемники ультразвука в жидких средах (гидрофоны) значительно превосходят термопарные зонды по многим параметрам.

1 — никелевая трубочка; 2 — металлизированный внутри и снаружи пьезокерамический цилиндр; 3 — легкоплавкий припой; 4 — изолирующая прокладка; 5 — экранирующая крышка из фольги; 6 — пленка эпоксидного лака Приемники этого типа преобразуют ультразвуковой сигнал непосредственно в электрический. Их крайне малая инерционность позволяет воспроизводить форму сигнала и, следовательно, получать информацию о его амплитуде, фазе, частоте и спектре.

Одна из простейших конструкций приемника ультразвука с цилиндрическим пьезокерамическим приемным элементом (гидрофона) показана на рис. 1.10.