Энергетические параметры ультразвука


Ультразвуковая энергия есть сумма кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды. Как и всякая другая энергия, ультразвуковая энергия измеряется в Дж (СИ) и эргах (СГС); 1 Дж = 107 эрг.

Акустическая мощность представляет собой энергию, переносимую в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны. Акустическая мощность выражается в ваттах (СИ) или эргах в секунду (СГС); 1 Вт = 107 эрг/с.

Интенсивность (сила) ультразвука - поток акустической энергии, отнесенный к единице поверхности, перпендикулярной направлению распространению ультразвука, или, иными словами, акустическая мощность, приходящаяся на единицу поверхности.
I = W/St,
где W - энергия потока ультразвука, проходящего через площадь S за время t. Интенсивность ультразвука связана с амплитудой колебания, величиной переменного акустического давления и колебательной скоростью частиц среды.

Зависимость интенсивности ультразвука от амплитуды выражается формулой:
I = 1/2rcw 2A2,
где r - плотность среды;
с - скорость распространения ультразвуковых волн;
w - круговая частота;
А - амплитуда колебаний.

Соотношение интенсивности ультразвука с величиной переменного акустического давления (Р) для плоской ультразвуковой волны устанавливается следующим образом:
I = P/2rс.

Интенсивность ультразвука связана с колебательной скоростью частиц среды соотношением:
I = rcv2/2,
v - колебательная скорость частиц среды.

Интенсивность ультразвука измеряется в Вт/м2 (СИ) и эрг/ (сoсм2) (СГС). 1 Вт/м2 = 103 эрг/(сoсм2). В физиотерапии для интенсивности ультразвука применяется размеренность Вт/см2.

В медицине принято выделять три диапазона интенсивностей:
  1. 0,05 - 0,6 Вт/см2 - низкий уровень интенсивности;
  2. 0,6 - 1,2 Вт/см2 - средний уровень интенсивности;
  3. свыше 1,2 Вт/см2 - сверхтерапевтический, высокий уровень интенсивности.
Международная электротехническая комиссия приняла решение о том, что максимальная интенсивность с головки излучателя терапевтического аппарата не должна превышать 3 Вт/см2.

Для определения мощности (N) акустического излучателя любого ультразвукового аппарата достаточно интенсивность ультразвука (Вт/см2) умножить на площадь поверхности излучающей головки(см2):

N = IoS.

Поглощенная в единице объема энергия называется физической дозой (Д):
Д = ItS/V,
где I - интенсивность ультразвуковых колебаний, падающих на озвучиваемую поверхность тела;
t - время озвучивания;
S - площадь облучаемой поверхности тела;
V - объем тканей тела, подвергнутых воздействию.
Эта формула дает лишь среднее значение дозы, в то время как действительное ее значение в конкретной точке озвучиваемой ткани может отличаться от среднего в несколько десятков или сотен раз из-за неравномерного распределения ультраакустической энергии в любом объекте.

В процессе распространения плоских ультразвуковых волн в среде интенсивность ультразвука (I) уменьшается по мере удаления от источника излучения согласно формуле:
I = I0e-2ax,
где I0 - начальная интенсивность;
x - расстояние от источника;
а - коэффициент поглощения звука в среде;
е - основание натурального логарифма коэффициента поглощения ультразвука, выражается в обратных единицах длины (см-1; м-1) или в децибелах на единицу длины (см; м); при этом 1 см-1 = 8,68 дБ/см.

Подготовила Дрейд А.И. 2000 г