Oddziaływanie
Oddziaływanie
ultradźwięków z
ultradźwięków z
materią
materią
•Ultradźwięki rozchodzące się w dowolnym
ośrodku są przezeń pochłaniane – ośrodkowi
przekazywana jest część energii fali.
•Pochłanianie fali daje bezpośrednie skutki
cieplne, mechaniczne lub chemiczne.
•W organizmach żywych ultradźwięki prowadzą do
powstawania skutków biologicznych.
•O wielkości skutków pochłaniania fali decyduje jej
natężenie oraz czas nadźwiękawiania.
•Technika impulsowa – pod uwagę bierze się
jedynie efektywny czas trwania wszystkich
impulsów.
Efekt cieplny
Efekt cieplny
•Drgania cząstek ośrodka, w którym rozchodzi się
fala ultradźwiękowa, dzięki zjawisku tarcia
wewnętrznego powoduje przetworzenie części
energii drgań w energię termiczną – następuje
podwyższenie temperatury ośrodka.
•Wielkość efektu termicznego zależy również od
zdolności tkanki do odprowadzenia ciepła.
•Ograniczenie efektu cieplnego to oddanie energii
sąsiadującym obszarom oraz unoszenie ciepła
przez krążącą krew – ustala się stan równowagi (u
ssaków przy natężeniu wiązki 1W/cm
2
wzrost
temperatury jest mniejszy niż 3
°
C
) – przegrzanie
może być szkodliwe.
Drgania cząsteczek mogą być przyczyną
mechanicznych skutków absorbcji
ultradźwieków.
•Rozerwanie wiązań (niszczenie tkanek lub błon) –
gdy amplituda wychylenia jest tak duża, iż dla
cząsteczek odległych o połowę długości fali ich
wzajemne wychylenie przekracza zakres
wytrzymałości wiązania między nimi.
•Mikroprzepływy i zawirowania płynów powodują
powstawania dużych naprężeń mogących prowadzić
do odkształcenia lub rozerwania komórek.
•Fale stojące – ich amplituda jest dwukrotnie większa
od amplitudy fal składowych – wzmocnienie w
pobliżu silnie odbijających struktur.
Kawitacja
Kawitacja
• Jest skutkiem działania ultradźwięków w środowisku
płynnym.
• Kawitacja to powstawanie jak i rezonansowe pulsowanie
mikropęcherzyków gazu
• Pęcherzyki powstają na skutek rozchodzenia się fali
dźwiękowej – lokalne ciśnienie osiąga wartości niższe od
ciśnienia pary nasyconej cieczy.
Powstawanie pęcherzyków
Mikroprzepływ i zawirowania – wzrost pęcherzyków
Rezonans z drganiami fali ultradźwiękowej
Znaczna amplituda – mechaniczne uszkodzenia struktur
Kawitacje trwałe i
Kawitacje trwałe i
przejściowe
przejściowe
• Pęcherzyki trwałe mogą istnieć nieskończenie
długo.
• Przejściowe zapadają się w fazie nadciśnienia
przechodzącej przez nie fali ultradźwiękowej.
– Uwolnienie znacznych ilości energii
przejawiającej się gwałtownymi i duzymi
skokami temperatury.
– Temperatura powoduje dysocjację wody.
– Wolne rodniki uczestniczą w reakcjach
chemicznych – często toksyczne produkty.
– Gwałtowny wzrost ciśnienia we wnętrzu
pęcherzyka – powstawanie hydrodynamicznej
fali uderzeniowej.
• Działanie fal ultradźwiękowych może
dawać inne chemiczne skutki:
– Zwiększenie szybkości reakcji chemicznych.
– Zmiana pH.
– Depolimeryzacja makromolekuł.
• Biologiczny efekt stosowanych
ultradźwięków:
– Występuje zwykle powyżej pewnych progowych
wartości poziomu nadźwiękowienia.
– Nie jest wprost proporcjonalny, np.: do
natężenia lub czasu działania ultradźwięków