Механізми взаємодії ультразвуку з речовиною

Найбільший практичний інтерес викликають наступні механізми взаємодії ультразвуку й фізичні ефекти в речовині: виділення тепла, радіаційний тиск, утвір конвекційних потоків і кавітація.

При проходженні ультразвуку в будь-якому середовищі механічна хвиля долає опір грузлих сил. Тому частина механічної енергії губиться в речовині й виділяється у вигляді тепла. Як випливає из теорії хвильових процесів, у міру поширення ультразвукової хвилі її інтенсивність зменшується за законом I = I_о e ^-bX , де b - коефіцієнт поглинання, що залежить від в'язкості, щільності середовища й частоти хвилі. Оскільки частота ультразвуку досить велика, поглинання енергії й виділення тепла досить значно, особливо в матеріалах з високою щільністю (у кістковій тканині). При впливі дуже інтенсивних ультразвукових випромінювань теплове нагрівання настільки виражене, що відбувається руйнування біологічних тканин. На цьому засноване хірургічне використання ультразвукових хвиль, і ультразвукові випромінювачі застосовуються як своєрідні скальпелі. За допомогою ультразвуку можна руйнувати не тільки м'які тканини, але й кістки.

Як ми вже відзначали, механічна хвиля натискає P = Zxm на перешкоду, яка зустрічається на її шляху. Не становить виключення й ультразвукові хвилі. Оскільки ультразвук має досить високу частоту w, величина радіаційного тиску досить значна.

При поширенні ультразвукових хвиль у неоднорідних гетерогенних рідких середовищах виникають області з неоднаковим тиском, між якими відбувається переміщення рідини. потоки, що утворюються при цьому, звуться конвекційних. Вони сприяють перемішуванню середовища й збільшенню швидкостей хімічних реакцій.

У рідких середовищах при впливі высокоинтенсивного ультразвуку спостерігається явище, яке одержало назву кавітації (від латинського слова cavum - порожнина). У цьому випадку утворюються порожнини, заповнені насиченим пором рідини. Утвір порожнин пояснюється тим, що в обсязі рідини, через який проходить ультразвукова хвиля, тиск змінюється із часом за синусоїдальним законом. В один з півперіодів тиск позитивний і виникаючі при цьому механічні сили прагнуть зблизити молекули середовища. У наступний півперіод, коли тиск стає негативним, механічні сили прагнуть збільшити відстань між молекулами. Якщо ці сили перевершують сили міжмолекулярного притягання, виникає "розрив" рідини й формується газова порожнина. При кавітації в рідких середовищах виникають дуже більші механічні напруги, здатні руйнувати будь-які матеріальні тіла. На цьому ефекті заснована стерилізація рідких середовищ у результаті кавитационного руйнування мікроорганізмів.