УЛЬТРАЗВУКОВЕ ПОЛЕ

Рішення ряду завдань, пов'язаних з практичним застосуванням ультразвуку, неможливо без знання характеру акустичного поля, т. Е. Розподілу в просторі звукового тиску або інтенсивності.

Відомо, наприклад, що швидкість руйнування клітин крові в суспензії під дією ультразвуку залежить від його інтенсивності. Однак навіть плоский випромінювач, який використовується в установці для визначення швидкості ультразвукового цітолізіса, дає дуже неоднорідна поле.

У медицині, ветеринарії та експериментальної біології знайшов широке застосування плоский високочастотний випромінювач. Для практичних цілей можна прийняти, що амплітуда коливань на його поверхні всюди постійна, а діаметр D набагато більше довжини ультразвукової хвилі. Ідеалізована форма звукового поля цього випромінювача представлена на рис. 1.3.

Поблизу поверхні плоского високочастотного випромінювача ультразвукове поле зосереджено в циліндричному обсязі діаметром D і довжиною Zo.

Ідеалізоване поле плоского акустичного випромінювача

Мал. 1.3. Ідеалізоване поле плоского акустичного випромінювача

Починаючи з відстані Zo = D / 4х, поле конусоподібно розширюється. Інтервал від випромінювача до Zo називається ближньої зоною, або зоною Френеля. Область, де Z> Zq, називається далекої зоною, або зоною Фраунгофера. У цій зоні амплітуда тиску падає пропорційно відстані від випромінювача. Кут а між напрямком поширення ультразвукової хвилі і утворює пучка визначається умовою

Для круглої пластинки А = 1,22, D - діаметр кола; для квадратної пластинки А = 1, D - сторона квадрата.

Поширене уявлення про плоскому характер хвилі в ближній зоні. Насправді поле в цій зоні має вельми складний характер, що пояснюється накладенням хвиль, випромінюваних окремими ділянками поверхні випромінювача. Аналіз показує, що інтенсивність ультразвуку в ближній зоні періодично змінюється в інтервалі від випромінювача до Zo (рис. 1.4). Останній максимум знаходиться на відстані Zo. Далі амплітуда звукового тиску монотонно зменшується.

Розподіл інтенсивності ультразвуку в поперечному до осі перерізі також неоднорідне і залежить від відстані до випромінювача.

У ближній зоні, при Z <Zo, інтенсивність може мати кілька максимумів. У далекій зоні, при Z> Zo, інтенсивність має один максимум і монотонно падає в міру віддалення від осі пучка.

Ці залежності легко перевірити, вимірюючи, наприклад, розподіл інтенсивності вздовж діаметра плоского круглого випромінювача, що випромінює ультразвук в воду або іншу рідину.

Слід зазначити, що розподіл інтенсивностей в площинах, перпендикулярних до напрямку поширення ультразвукових хвиль, буде змінюватися в залежності від відстані до випромінювача, проте характер цього розподілу збережеться, принаймні, на відстанях, порівнянних з діаметром випромінюючої поверхні.

Зміна інтенсивності коливань в пружної хвилі в залежності від відстані до випромінювача

Мал. 1.4. Зміна інтенсивності коливань в пружної хвилі в залежності від відстані до випромінювача

Метод реєстрації розподілу інтенсивності ультразвуку уздовж діаметра високочастотного випромінювача

Мал. 1.5. Метод реєстрації розподілу інтенсивності ультразвуку уздовж діаметра високочастотного випромінювача: а - схема реєстрації (1 - випромінювач ультразвуку: 2 - кювета з рідиною; 3 - ультразвуковий зонд; 4 - координатний пристрій; 5 - чутливий елемент зонда - диференціальна термопара, один із спаїв якої сенсибилизирован епоксидною смолою); б - розподіл інтенсивності для плоского випромінювача

Для оцінки розподілу інтенсивностей в ультразвуковому полі зручно скористатися будь-яким точковим приймачем ультразвуку і простим координатним пристроєм з двох взаємно перпендикулярних лінійок (рис. 1.5, а). Площа під експериментальної кривої на наведеному малюнку пропорційна енергії ультразвуку. Середня інтенсивність відповідає висоті прямокутника, побудованого на тій же підставі, що і експериментальна крива, і має площу, обмежену експериментальної кривої (рис. 1.5, б).

Більш точні вимірювання розподілу інтенсивностей дозволяють виявити також і додаткові максимуми (пелюстки) інтенсивності. Залежить розподіл інтенсивностей в поле і від співвідношення розмірів випромінювача з довжиною хвилі випромінюваного ультразвуку, і від властивостей самого випромінюючого елемента, і від способу його кріплення в випромінювачі.

Таким чином, навіть в ідеальних умовах, поле в ближній зоні випромінювача дуже неоднорідний, і максимальні значення інтенсивності можуть в 3-4 рази відрізнятися від середніх значень. Це слід враховувати при визначенні порогів фізико-хімічного та біологічного дії ультразвуку.

Слід зазначити, що далеко не всі дослідники враховують особливості розподілу інтенсивностей в поле використовуваних ними ультразвукових випромінювачів і це може бути однією з причин розбіжності в отриманих ними результатах.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >