Физические основы действия ультразвуковых волн на вещество. Низкочастотный и высокочастотный ультразвук.

Колебания размеров тела, усиленные путем использования явления резонанса (т.е. когда частота приложенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки), вызывают в окружающей тело жидкой или газообразной среде продольную упругую УЗ волну.

УЗ волна, как и звуковая, состоит из чередующихся участков сгущения и разрежения частиц среды. Скорости распространения звуковых и УЗ волн примерно одинаковы. Длина УЗ волн значительно меньше длины звуковых волн. В связи с этим УЗ волны от плоского источника распространяются направленным потоком (УЗ луч) и легко фокусируются. УЗ волна имеет значительно большую интенсивность, чем звуковая. Она может достигать порядка нескольких ватт на квадратный сантиметр, а при фокусировке волны в небольшом объеме среды - сотен и тысяч Вт/см³. Если I = 10 Вт/см³, то это в 10000 раз больше силы звука в воздухе от большого оркестра при его максимальном звучании (10^-3 Вт/см²).

В зависимости от частоты принято делить ультразвук на 3 диапазона: низкой (1.5^.10⁴ – 10⁵ Гц), средней (10⁵ – 10⁷ Гц) и высокой (10⁷ – 10⁹ Гц) частоты.

Биологическое действие ультразвука во многом определяется частотой ультразвуковой волны, а поэтому различается для низкочастотных и высокочастотных ультразвуковых колебаний.

При распространении ультразвуковых колебаний в среде их интенсивность ослабевает (для многих сред обратно пропорционально квадрату расстояния от источника). Потеря энергии происходит вследствие поглощения ультразвуковых колебаний средой, которое зависит от вязкости и теплопроводности среды. УЗ волны особенно высокой частоты, порядка сотен килогерц, сильно поглощаются воздухом, а также отражаются от поверхности раздела твердой или жидкой среды и газа. Поэтому контакт между источником УЗ и облучаемой средой не должен содержать воздушной прослойки. Из биологических сред наименьшее поглощение ультразвуковых волн характерно для жировых тканей. В мышечной ткани поглощение ультразвука вдвое выше, а в сером веществе мозга – в 2 раза больше, чем в белом. Поглощение ультразвука тканями существенно зависит от частоты ультразвуковых колебаний – растет с увеличением частоты. Поэтому низкочастотный ультразвук поглощается тканями слабее, чем высоко- и среднечастотный, а проникает на значительно большую глубину. В среднем, ультразвук частотой 22-44 кГц может проникать на глубину до 16-24 см, в то время как ультразвук частотой 800 кГц – на 7-9 см.

Распространение ультразвуковых колебаний в среде сопровождается возникновением ряда механических, физических(а также и тепловых) и химических эффектов. К первичным физическим эффектам относят переменное движение частиц в направлении распространения ультразвука, на частицы действует переменное акустическое давление.

Для ультразвука большой интенсивности (~ 10 вт/см²) амплитуды смещения частиц и амплитуды их скоростей относительно невелики, но чрезвычайно велика амплитуда ускорений. Амплитуда ускорений может в десятки тысяч и в сотни тысяч раз превосходить ускорение силы тяжести. Амплитуда давлений может иметь величину нескольких атмосфер.

Распространение ультразвука высокой мощности низкой и средней частоты сопровождается явлением, названным кавитацией. С увеличением частоты ультразвуковых колебаний вероятность возникновения кавитации резко уменьшается, в связи с этим высокочастотный ультразвук оказывается менее опасен для биологических объектов (используется в основном для ультразвуковой диагностики).

При распространении УЗ волн большой интенсивности в жидкости в местах разрежения происходит разрыв сплошности среды — возникает кавитационный пузырек. Образующийся в фазе разрежения газовый пузырек довольно быстро захлопывается под влиянием последующего сжатия. Это явление называют акустической кавитацией. Она довольно эффективно трансформирует относительно низкую среднюю плотность энергии звукового поля в высокую плотность энергии, концентрирующуюся в малых объемах внутри и вблизи от захлопывающегося пузырька. Этим обусловлена роль кавитации в возникновении целого ряда УЗ эффектов (возбуждение люминесценции, инициирование химических реакций, деградация полимеров и биомакромолекул, бактерицидное действие, разрушение животных и растительных клеток и их органелл и т.д.), наблюдаемых в интенсивных УЗ полях.

По современным представлениям механизм биологического действия ультразвука протекает по 3 путям:

1. поглощение УЗ на молекулярном уровне и превращение его энергии в тепло, вызывающее необратимые изменения;

2. рассеяние — процесс, зависящий от соотношения размера объекта и длины волны УЗ;

3. кавитация, приводящая к механическим разрывам в структурах, расщеплению молекул воды (Н₂О  Н + ОН) с образованием реакционно-способных продуктов, которые взаимодействуют с веществами, входящими в состав клеточных оболочек или мембран.

Важно, что результатом кавитационных процессов являются нарушения структуры и полное разрушение структуры биологических объектов: нарушение структуры биомакромолекул ведет к нарушению или потере функции более крупных биообъектов – клеток, органов или организмов. Так, УЗ разрушает многие микроорганизмы, проявляя бактерицидное действие. Поскольку наблюдаемый биологический эффект есть результат взаимодействия физических и биологических факторов, наблюдается зависимость эффективности УЗ от структурных особенностей биологического объекта. Так, при действии УЗ на клетки преобладают механические изменения, а при действии на ткани – основным повреждающим фактором является тепловая энергия. В растворах макромолекул повреждающее действие определяется резонансными факторами и механическим стрессом, появляющимся в результате относительного перемещения молекул и среды, а также благодаря электрохимическим изменениям в самой среде.