Инна Вартанян - Коснуться невидимого, услышать неслышимое
Сейчас фокусированный ультразвук используется в физиологии и разных областях медицины. В ряде случаев, однако, имеется только «введение», последующие «главы» нужно создавать. Отечественные работы по изучению и практическому использованию активирующего действия фокусированного ультразвука носят приоритетный характер, а это дополнительный аргумент для их усиления: важно, чтобы новая область развивалась и укреплялась.
Некоторые общие сведения об ультразвуке
Понятие «ультразвук» относится к волновому механическому колебательному процессу частотой от 2·104 до 109 Гц. Когда частота превышает 109, до 1013, Гц, говорят о гиперзвуке. Выделение ультразвука как самостоятельного понятия исторически связано со слухом человека. Если частота механических колебаний, распространяющихся по воздуху, выше воспринимаемой человеком, говорят об ультразвуке или, в зависимости от частоты, о гиперзвуке; если ниже — об инфразвуке. По физической природе инфразвук, ультра- и гиперзвук не отличаются друг от друга. Отличия возникают преимущественно при взаимодействии каждого из перечисленных колебательных процессов со средой. Например, из-за очень малых длин волн гиперзвука существенным становится взаимодействие его с квазичастицами среды — электронами, фотонами и другими.
Удивительная способность некоторых животных ориентироваться в пространстве, избегать препятствий в темноте всегда привлекала внимание и побуждала к выяснению ее причин. Итальянский ученый Л. Спалланцани в 1793 г. опубликовал сведения, согласно которым эта способность связана со слухом, а не со зрением, как предполагали раньше. Через 5 лет швейцарский энтомолог Ш. Жюрин привел данные, свидетельствующие о том, что именно слух летучих мышей позволяет им обнаруживать препятствия. Однако эти исследования не помешали французскому зоологу Ю. Кювье выдвинуть гипотезу, по которой способности к ориентации летучих мышей в темноте определяются очень развитой у них системой осязания. В дальнейшем английский ученый X. Хартридж вновь привлек внимание к возможности локализации этими животными колебаний высокой частоты, не воспринимаемых человеком. И лишь в 1938 г. Д. Гриффин — известный в дальнейшем американский специалист по ориентации с помощью эхолокации, а тогда студент — обнаружил высокочастотные сигналы, издаваемые летучими мышами. Исследования его и других ученых подтвердили ранние представления об ультразвуковой ориентации летучих мышей. К настоящему времени доказано, что многие животные издают и воспринимают ультразвуковые колебания: ночные птицы, например гуахара, млекопитающие, в частности некоторые из землероек, крысы, мыши. Спектр «звуков», издаваемых домашней кошкой, простирается до 60 кГц, то же самое характерно и для собак некоторых пород. Новые исследования постоянно увеличивают список животных, в сигналах которых присутствуют ультразвуковые составляющие. Наиболее детально изучены подобные сигналы у летучих мышей и дельфинов.
В повседневной жизни человек соприкасается с множеством источников ультразвуковых колебаний, природных или создаваемых им самим. Ультразвуки содержатся в шумах ветра и моря, издаются животными и даже самим человеком, присутствуют во время работы различных механизмов. В большинстве случаев они не воспринимаются человеком.
Ультразвук широко применяют в разных областях науки, техники, медицине. Специфические его особенности обусловлены, в частности, длиной волны, которая может быть короче диаметра излучающей поверхности, благодаря чему ультразвук способен распространяться направленно. Подобно свету его можно сфокусировать на ограниченном участке. В технике ультразвук получают преимущественно механическим и электроакустическим способами. В механических преобразователях кинетическая энергия, например струи воздуха, переходит в акустическую (принципы сирены, свистка). Другие принципы использованы в пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователях, которые значительно более распространены, чем механические. В пьезоэлектрических преобразователях использован эффект, обнаруженный в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри. При деформации пластины кварца возникают электрические заряды. Электричество, возникающее при давлении, было названо «пьезоэлектричеством» («пьезо» — по-гречески «давить»). Но может быть и противоположный эффект: под действием электричества кварцевая пластинка меняет свои размеры. Если на пластинку подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной ее собственной резонансной частоте, пластинка начинает колебаться с наибольшей амплитудой.
Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на изменении размеров ферромагнитного материала при действии на него магнитного поля («стрикцио» — по-латыни значит «сжатие»).
В наших исследованиях использовались излучатели с пьезокерамическими пластинками, работающими по типу кварцевых. Интересно отметить, что в природе имеются достаточно компактно «выполненные» фокусирующие системы, например у дельфинов. У них существует жировая линза, расположенная кпереди от источника ультразвука, которая формирует направленное ультразвуковое излучение.
Фокусирование ультразвука
Концентрация ультразвуковой энергии может быть достигнута разными способами, например с помощью линз, аналогично фокусировке света; путем направления нескольких ультразвуковых пучков в одну область одновременно или последовательно — перемещением одного излучателя под разными углами к заданной области, наподобие того, как направляются рентгеновские лучи при томографии.
В последние годы часто применяются фокусирующие преобразователи (излучатели ультразвука), выполненные на основе пьезокерамики и представляющие собой по форме часть сферы. Частота излучаемого ультразвука равна собственной резонансной частоте пьезокерамической пластинки. Когда на пластинку подают переменный ток резонансной частоты, то она колеблется в поперечном направлении, преобразуя электрический ток в механические колебания — ультразвук. Наибольшая концентрация ультразвуковой энергии достигается в центре кривизны излучателя, на расстоянии от пластинки, равном радиусу кривизны. Место наибольшей концентрации энергии принято называть фокальной областью. Размеры фокальной области излучателя зависят от частоты резонансных колебаний пьезокерамической пластинки и некоторых его конструктивных особенностей, в частности от так называемого угла раскрытия (рис. 14). Чем выше частота и больше угол раскрытия излучателя, тем меньше размеры фокальной области. Интенсивность ультразвука зависит от свойств пьезокерамической пластинки и мощности генератора, подающего на пластинку переменный ток.
Рис. 14. Геометрические характеристики сферического излучателя ультразвука.
R — радиус излучателя, F — фокусное расстояние, h — глубина, αm — угол раскрытия, r0 и l — соответственно поперечный радиус и продольная длина фокальной области.
Приборы, имевшиеся в нашем распоряжении, обеспечивали интенсивность ультразвука, осредненную по площади наибольшего поперечного сечения фокальной области, от долей до нескольких тысяч Вт/см2. Как правило, каждый излучатель питался от генератора, настроенного на резонансную частоту пьезокерамической пластинки. Кроме того, имелись генераторы с несколькими излучателями. Перестройка на нужный излучатель достигалась сменой отдельных блоков и дополнительной подстройкой резонансного контура. Например, одним генератором можно было осуществлять работу на трех излучателях с резонансными частотами 0.48, 0.887 и 2.67 МГц.
Для обеспечения перемещений фокальной области излучателя в объекте и минимальных потерь энергии по пути распространения ультразвуковых колебаний между пьезокерамической пластинкой и объектом помещается согласующая среда. В качестве одной из наиболее приемлемых и доступных сред используется вода. Ультразвук распространяется в воде с минимальным затуханием. Чтобы еще уменьшить потери акустической энергии, в частности из-за возникновения кавитации, вода должна быть максимально гомогенной. Наиболее частая причина нарушения гомогенности воды — выделение мельчайших пузырьков газа. Пузырьки вызывают увеличение поглощения и рассеяния ультразвука, способствуют возникновению кавитационных эффектов, которые заключаются в образовании быстро захлопывающихся паро-газов микрополостей и возникновении длительно существующих и стабильных газовых пузырьков, колеблющихся с частотой ультразвука. Для уменьшения возможности появления пузырьков воду дегазируют. Можно пользоваться и дистиллированной водой в тех случаях, когда она собирается из дистиллятора в сосуд без доступа воздуха. Пригодность воды для использования в качестве акустически согласующей среды легко проверить, пропустив через воду ультразвук заведомо большей интенсивности, чем будет использоваться в дальнейшем. При этом в сосуде не должно появляться видимых глазом мельчайших пузырьков (дегазации жидкости).
