Книга: Коснуться невидимого, услышать неслышимое

Фокусирование ультразвука

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, ?_m — 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).

Как практически осуществляют воздействие ультразвуком на объект через воду? В зависимости от задач исследования и особенностей конкретной методики объект, например рука обследуемого, и фокусирующий ультразвук излучатель могут быть размещены в резервуаре с водой. При этом руку можно перемещать относительно фиксированного излучателя или излучатель — относительно неподвижной руки. В таких условиях существует максимум возможностей для изменения места расположения фокальной области излучателя как на коже, так и в глубине руки.

Для увеличения точности локализации фокальной области излучатель перемещают относительно объекта с помощью специального координатного устройства. Иногда нет необходимости менять расстояние центра фокальной области относительно поверхности объекта. В таких случаях излучатель можно не погружать в воду, а, напротив, заливать воду в корпус излучателя. При этом часть корпуса, контактирующую с объектом, удобно выполнить в виде конуса, на открытом конце которого натянута тонкая, акустически прозрачная, например полиэтиленовая, пленка. В широкой части корпуса вода соприкасается непосредственно с пьезокерамической пластинкой, а в узкой части — с объектом (рис. 15). Для лучшего акустического контакта пленки с объектом, например с кожей, пленка и кожа смазываются вазелином. При необходимости изменить место расположения фокальной области конус заменяют на другой с большей или меньшей площадью сечения, прилегающего к объекту. При этом соответственно изменяется расположение фокальной области. Тех же результатов можно достигнуть, пользуясь излучателями, в которых пьезокерамическую пластинку можно перемещать внутри корпуса излучателя. Увеличение количества возможных перемещений фокальной области достигается в излучателях, конструктивно совмещающих особенности указанных двух типов, т. е. со сменными конусами и подвижной пьезокерамической пластинкой (рис. 15).

Рис. 15. Фокусирующие излучатели разных типов.

А — излучатель со сменным конусом и съемным указателем центра фокальной области, Б — с перемещающейся внутри корпуса пьезокерамической пластинкой, В — со сменным конусом, съемным указателем и перемещающейся пьезокерамической пластинкой. Вода внутри корпуса излучателей ограничена акустически прозрачной пленкой. Точкой на пленке обозначено место прохождения акустической оси излучателя.

В экспериментах с мелкими объектами, например с изолированными механорецепторами — тельцами Пачини, последние помещают в камеру, отделенную от резервуара с водой, где расположен ультразвуковой излучатель, акустически прозрачной пленкой. Камеру можно перемещать ближе или дальше по отношению к излучателю. Как правило, ее заполняют специальным водным раствором — для поддержания жизнедеятельности объекта во время опыта.