406 407

tężenia fali dźwiękowej, przechodzącej przez ośrodek materialny, a mianowicie :

a) zużycie energii na pokonywanie bezwładności cząstek materii, wprowadzanych w stan drgań mechanicznych oraz na odkształcenia sprężyste cząstek drgających; b) przewodnictwo; c) tarcie; d) zużycie energii drgań na promieniowanie cieplne.    -

Kawitacja (ryc. 284)

W ośrodkach płynnych, znajdujących się w polu ultradźwiękowym, mogą powstawać pod wpływem ciśnienia ujemnego wolne przestrzenie wypełnione parą danej cieczy, czyli tzw. kawitacje. Kawitacje określa się również jako „rozerwanie płynów" i powstawanie „pustych" przestrzeni. Jeżeli ciecz zawiera gaz (np. tlen), to pęcherzyki tego gazu mogą być również obecne w przestrzeni kawitacyjnej.

Pęcherzyki gazu drgają okresowo. Drgania są w stanie rezonansu z drganiami fal ultradźwiękowych. Ponieważ w płynach zawierających gaz kawitacje powstają stosunkowo łatwo, obiekt który poddajemy działaniu ultradźwięków nie powinien zawierać pęcherzyków gazu. W ośrodku płynnym pęcherzyk gazu ulega uciskowi ze strony

otaczających go mas ośrodka, przez co jego objętość maleje, ale równocześnie wzrasta ciśnienie gazu. Wzrost ciśnienia może być bardzo znaczny i powodować zjawisko określane jako tzw. „uderzenia", najsilniej wyrażone na granicy gazu i cieczy.

Ryc. 284. Schemat przestrzeni kawitacyjnej (k) w tkankach (wg Pohlmana); U — ultradźwięki

Warunkiem sprzyjającym powstawaniu kawitacji są duże moce ultradźwięków oraz ciśnienie fal ultradźwiękowych (nie może ono przekraczać 3 atmosfer). Ponieważ w terapii stosujemy raczej małe moce (do 2W/cm²), możliwość powstawania kawitacji jest znacznie ograniczona.

Przy ultradźwiękach tzw. impulsowych (czyli przerywanych) również istnieje możliwość powstawania kawitacji, zwłaszcza jeśli stosuje się duże dawki mocy i bardzo mały czas impulsu.

Zjawisko kawitacji prowadzić może do „rozerwania” tkanek. Wg Pohlmana w mięśniach wytwarzają się wówczas tzw. „przestrzenie jamiste”.

W wodzie kawitacje powstają najczęściej skutkiem jonizacji wody (na jony H i OH).

APARATURA

Wytwarzanie ultradźwięków. Zasada budowy nadajnika

Do budowy nadajnika fal ultradźwiękowych zastosowano płytkę z kryształu kwarcu. W 1880 r. Jakób i Piotr Curie stwierdzili, że przy ściskaniu kryształu kwarcu powstają na przeciwległych powierzchniach do osi X kryształu ładunki elektryczne różnoimienne. Rozciąganie kryształu zmieniało wartości ładunków na odwrotne. Powyższe zjawisko określono jako piezoelektryczne.

Kryształ kwarcu (Si0₂) posiada trzy osie x, y, z, charakteryzujące się właściwościami optycznymi, mechanicznymi i elektrycznymi. Właściwości piezoelektryczne posiada oś x, gdyż wzdłuż niej pojawiają się różnoimienne ładunki elektryczne.

Jeżeli z kryształu kwarcu wycięta zostanie owalna lub prostopadłościenna płytka, to na jej powierzchniach prostopadłych do osi x najłatwiej uzyskać zjawisko piezoelektryczne.

Przez „odwrócenie" zjawiska piezoelektrycznego uzyskuje się drgania płytki kwarcowej. „Odwrócenie" polega na tym, że przez okresowe doprowadzanie zmiennych ładunków (zmiennego napięcia) do obu powierzchni płytki, uzyskana zostaje zmiana jej objętości. Płytka staje się źródłem drgań mechanicznych z częstotliwością odpo-

vv indającą częstotliwości zmian ładunków elektrycznych.

Płytka posiada określoną sprężystość i bezwładność. Od wymiarów płytici zależy częstotliwość jej drgań własnych. Jeżeli z generatora wielkiej częstotliwości (np, z obwodu drgającego lampy generacyjnej triody) doprowadzimy za pomocą elektrod zmienne napięcie do obu powierzchni płytki, to ilość okresów drgań prądu zmiennego z generatora musi być zgodna z częstotliwością drgań własnych płytki. Zaistnieje wówczas między lymi dwoma układami stan rezonansu. Jeżeli warunek ten nie zostanie zachowany, wówczas mogą powstawać w płytce tzw. drgania wymuszone, które spowodują uszkodzenie płytki (pęknięcie). Moc drgań może być zmieniana, wpłynie ona wówczas na moc fal ultradźwiękowych, przy tej samej częstotliwości.

Kryształy kwarcu wykazują właściwości piroelektryczne. Pod wpływem ogrzewania płytki powstają ładunki elektryczne różnoimienne na powierzchniach prostopadłych do osi x. Przy oziębianiu płytki ładunki zmieniają znak na odwrotny. Zjawisko piroelektryczne występuje wówczas, gdy zachodzi zmiana temperatury płytki, ponieważ umieszczona w nadajniku płytka drgająca ulega przegrzaniu, a ładunki powstające skutkiem zjawiska piroelektryczności mogłyby mieć wpływ na jej drgania, stosuje się chłodzenie wodne lub olejowe nadajnika (temp. wody optymalna 12—20°C).

Budowa aparatu ultradźwiękowego

Aparat składa się z generatora drgań wielkiej częstotliwości i nadajnika. W obwodzie zasilającym (sieciowym) aparatu znajduje się pierwotna cewka transformatora. W obwodzie wtórnym (generacyjnym) źródłem prądu jest wtórna cewka transformatora. Część jej zwojów zasila obwody żarzenia lampy prostowniczej dwuanodowej i lampy generacyjnej triody. Wysokie napięcie z wtórnej cewki transformatora (część o dużej ilości zwojów) przyłożone jest do lampy prostowniczej, a po uzyskaniu prostowania dwupołówkowego oraz wygładzeniu tętnień napięcia przez układ kondensatorów i cewek dławikowych, włączone zostaje do obwodu anodowego lampy triody. Obwód drgający siatki wbudowany jest w obwód anodowy (układ zbliżony do typu Meisnera). W obwodzie drgającym mamy kondensator o zmiennej pojemności służący do dostrojenia. Ponieważ drgania powstające w obwodzie siatki powinny posiadać ściśle określoną częstotliwość i odpowiadającą częstotliwości drgań własnych płytki kwarcowej nadajnika, strojenie obwodu siatki jest nieodzowne. Drgania wielkiej częstotliwości mają charakter niegasnący. Ryc. 285 przedstawia schemat aparatu.

Zmienne napięcie o wielkiej częstotliwości doprowadzone jest z obwodu drgającego za pomocą metalowych okładek (elektrod E) do płytki kwarcowej (P) nadajnika.

Płytka z kwarcu umieszczona jest w głowicy nadajnika. Do wytworzenia ultradźwięków wykorzystane jest odwrócone zjawisko piezoelektryczne. Skutkiem naprzemiennych ładunków elektrycznych płytka

407