Коснуться невидимого, услышать неслышимое

Ультразвук широко применяют в разных областях науки, техники, медицине. Специфические его особенности обусловлены, в частности, длиной волны, которая может быть короче диаметра излучающей поверхности, благодаря чему ультразвук способен распространяться направленно. Подобно свету его можно сфокусировать на ограниченном участке. В технике ультразвук получают преимущественно механическим и электроакустическим способами. В механических преобразователях кинетическая энергия, например струи воздуха, переходит в акустическую (принципы сирены, свистка). Другие принципы использованы в пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователях, которые значительно более распространены, чем механические. В пьезоэлектрических преобразователях использован эффект, обнаруженный в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри. При деформации пластины кварца возникают электрические заряды. Электричество, возникающее при давлении, было названо «пьезоэлектричеством» («пьезо» — по-гречески «давить»). Но может быть и противоположный эффект: под действием электричества кварцевая пластинка меняет свои размеры. Если на пластинку подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной ее собственной резонансной частоте, пластинка начинает колебаться с наибольшей амплитудой.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на изменении размеров ферромагнитного материала при действии на него магнитного поля («стрикцио» — по-латыни значит «сжатие»).

В наших исследованиях использовались излучатели с пьезокерамическими пластинками, работающими по типу кварцевых. Интересно отметить, что в природе имеются достаточно компактно «выполненные» фокусирующие системы, например у дельфинов. У них существует жировая линза, расположенная кпереди от источника ультразвука, которая формирует направленное ультразвуковое излучение.

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, α_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.