Николаев Г.А., Лощилов В.И. - Ультразвуковая технология в хирургии, страница 8

е. расстояние между соседними сжатиями и разряжениями (см. рис. 14). Эта величина носит название длины волны, определяемой частотой н скоростью звука в материале: где Х вЂ” длина волны; с — скорость звука, см/с; 1 — частота колебаний, Гц. Упругие волны могут распространяться в любых агрегатных состояниях вещества, но вид волны зависит от упругих свойств среды и ее размеров. В газах я жидкостях распространяются продольные волны, так как такие среды могут передавать только нормальные напряжения. В противоположность газам и жидкостям твердые тела, обладающие упругостью формы, способны передавать также сдвиговые и крутильные напряжения.

Различные типы волн могут существовать как в чистом виде, так и в виде различных комбинаций приводящих к достаточно сложным волновым картинам. Звуковая волна, распространяющаяся в среде, несет с собой определенную энергию. Полная энергия ее будет складываться из кинетической и потенциальных энергий: Е =Е»+Е„, (16) Кинетическая энергия описывается уравнением: рк» р»гА» со»~ ы 2 2 потенциальная энергия — уравнением: где К1 = роР— коэффициент жесткости колебательной системы. Тогда полная энергия звуковой волны: 2 где Š— полная энергия звуковой волны ЭРГ, см; р— плотность среды, см', в — круговая частота, с ', А— амплитуда колебаний, см; 1' — частота, с '.

Полная энергия гармонического колебательного движения пропорциональна квадратам амплитуды и частоты колебаний. Так как энергия не является локализованной в данном участке тела, а перемешается в среде, то вводится понятие интенсивности, или силы, звука. Под интенсивностью понимают количество энергии, переносимое звуковой волной за 1 с через перпендикулярнуюк направлению перемещения волны площадку в 1 ем». С учетомтого, что энергия волны распространяется со скоростью звука, то интенсивность равна энергии, заключенной впрямоугольном параллелепипеде, плошадь основания которого равна единице, а высота (величина) скорости звука: 7 =- Ео- с = — рсАйв'.

(20) иа две основные группы: механические и электромеханические. Механические излучатели в настоящее время получили наиболее широкое применение в ультразвуковых свистках, жидкостных генераторах, гидродинамических излучателях, в газоструйных излучателях и сиренах. Используются все они для создания ультразвуковых колебаний в жидкостях, воздухе и газообразных средах. Они работают в широком диапазоне частот (20 —: —: 500 44Гц). Принцип действия газоструйных ультразвуковых генераторов основан на воздействии потока воздуха„ падающего с большой скоростью на острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой.

равной собственной частоте резонатора. Газоструйные генераторы просты по устройству, они имеют нсбольшой КПД (около 304)с) при мощности 1,Б кВт. Жидкостные генераторы применяют для излучения ультразвука в жидкость. Струя жидкости с большой скоростью разбивается об острый край пластинки резонатора.

Для работы жидкостного генератора необходимо избыточное давление жидкости — б кгс/сма. Недостатком ультразвуковых механических излучателей является сложность их изготовления, требующая высокой точности обработки и большой механической прочности деталей. По этой причине ультразвуковые излучатели не получили широкого применения в промышленности. Электромеханические излучатели более устойчивы, чем механические. По принципу действия электромеханические излучатели разделяют на электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Электродинамические преобразователи, основанные на принципе взаимодействия проводника с током, применяются редко. Магнитострикционные преобразователи основаны на магнитострикционном эффекте, открытом в 1847 г. Джоулем. Пропуская по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, переменный ток, стержень изменяет свои размеры под воздействием переменного магнитного поля, т. е. прямой магнитострикциопный эффект (рис. '14, б). Если стержень из ферромагнитного материала сжимать или растягивать, то в обмотке возникает перемен- 48 гт !! !! !! !! !1 !! !! !! 1! Рис. 14. Схема магннтосгрннцнонного эффекта. а — обратный; б — прямой.

ный ток (рис. 14, а) — обратный магнитострикционный эфФект. В настоящее время в ультразвуковых технологических установках применяют прямой магнитострикционпый эффект. При изготовлении магнитострикционных излучателей определяются не только геометрические размеры, но принимается во внимание материал преобразователя, его конструкция и технология изготовления. Большим ма:,,-:-; ' гнитострикционным эффектом обладает сплав платины с Рнс. 1аг.

Блок-схема ультразвукового генератора. 3 Задащгдий геисрс р, 2 — прегчазрптелыичсг усилитель иаагиасти: 3 — гкаийатсльг~ый усилатсгп маптигк1и; 4 — блом сагласазаииг; 5 — бла( питания: ! б — бпаК Падь аГИПЧчаааИИГП 7 — НаГруЗКа; а — датЧИК; У уеапптеЛЬ. 4 Заказ Уй уаа 4о железом (32% платины, 68% железа), но нз-за высокои стоимости он практически не нашел применения (см.

рнс. 14,а). Однако наиболее часто в ультравуковых установках п именяют преобразователи из никеля. Магннтострнкционные свойства его прнмерно в 2 раза меньше, ри чем сплава пермендюра (кобальт+ваннадий), но благодаря дешевизне и высокой коррозионной стойкости он нашел первоочередное промышленное применение. Магнитострикционные сплавы с алюминием (альферы) ввиду трудностей, связанных с прокатом и их высокой хрупкостью, ограничивают его практическое применение. В качестве магнятострикцнонного материала могут применяться феррпты, свойства которых в большей степени зависят от составляющих (окнси никеля, железа, цинка). У фсрритов ничтожны потери на вихревые токи, они устойчивы к температурным изменениям. Но у феррнтов имеется существенный недостаток — малая механическая прочность, что вызывает опасность их перегрузки при работе в системах большой мощности.

Обычный магннтострикцнонный преобразователь представляет собой пакет, набранный из тонких пластян толщиной О,! —: 0,2 мм, которые изолируются между собой лакнрованнем или окснднрованием, Пьезоэлектрические преобразователи основаны на принципе пьезоэлектрического эффекта, открытого в 1880 г.

французскими учеными Жаком и Пьером Кюри. Сущность эффекта основана на том, что если деформировать пластину кварца, то на ее гранях возникают противоположные по знаку электрические заряды. Пьезоэлектричество — это электричество, возникшее от давления («пьезо» в переводе с греческого «давление»). Пьезоэлектрический эффект возникает у кристаллов кварца, сегнетовой соли, турмалина, хлорита натрия и др.

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей из кристаллов кварца вырезают пластины таким образом, чтобы плоскости их были перпендикулярны одной нз трех электрических осей. Такие пластины прн колебаниях излучают продольные волны. Пьезоэлектрический эффект может быть прямым н обратным. Возникновение зарядов на гранях пластины при механическом воздействии называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Величина электрической поляризации прямо пропорциональна механическому напряжению, и знак се зависит от направления вектора напряжения: (26) где е — величина электрического заряда; Ы вЂ” постоянная величина, называемая пьезоэлектрическим модулем; Š— - сила. Принцип прямого пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении приемннков ультразвуковых колебаний. Наоборот, изменение размеров пластины, вызванное действием электрических зарядов, называется обратным пьзоэлектрическим эффектом.

Изменение продольных размеров пластннки под действием электрических зарядов пропорцнонально подводимому электрическому напряженню: (26) где 65 — изменение продольных размеров пластины; д -- пьезоэлектрический модуль; У вЂ” подводимое напря- жение в абсолютных электрических единицах. Все излучатели ультразвуковых колебаний основаны на принципе обратного пьезоэлектрического эффекта. Кварцевые излучатели в настоящее время применяются мало, так как они не выдерживают больших механических нагрузок и очень хрупки. Сегнетова соль по сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе н кварцем, обладает значительно большим пьезоэффектом. Однако ей свойственны существенные недостатки, ограничивающие ес применение. Это низкая температура плавления (около 60'С), при которой исчезают пьезоэлектрические свойства. После нагрева до температуры плавления сегнетова соль не восстанавливает пьезоэлектрические свойства.

Сегветова соль растворнма в воде н боится влаги. Советскими учеными под руководством член-корр. . АН СССР Б М. Вула разработано новое вещество— тнтанат бария. Получают его искусственным путем, обжимая прн высокой температуре смесь минеральных ' веществ (карбонат бария н двуокись титаната), Полу- б! чаемое керамическое изделие обладает достаточной механической прочностью и нерастворимо в воде. Пьезоэлектрический эффект у титаната бария в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его в 100 раз меньше.

К недостаткам титаната бария можно отнести большие механические и диэлектрические потери, приводящие к перегреву, и низкую точку Кюри (около 90 'С). В последние годы разработана пьезокерамика из цирконата-титаиата свинца (ЦТС), обладающая вдвое большим пьезоэффектом, чем пьезокерамика из титаната бария.