Fyzikálne princípy ultrazvuku

Ultrazvuk sú mechanické kmity prostredia s frekvenciou vyššou, než je schopné počuť ľudské ucho, teda približne nad 20 kHz (20000 Hz). Ultrazvuk je súčasťou zvukových vĺn, ktoré sú produkované materiálom a vibráciami a prenášajú sa iba v médiu.

V závislosti na frekvencii sa ultrazvukové vlnenie delí na tri kategórie: silový ultrazvuk s frekvenciou 20-100 kHz, vysokofrekvenčný s frekvenciou do 100 kHz do 1 MHz a diagnostický ultrazvuk o frekvenciách 1-500 MHz. Ultrazvuk s frekvenciami od 10^12 do 10^14 Hz sa označuje aj ako hyperzvuk.

Vlastnosti ultrazvuku

Ultrazvuková vlna je elastická mechanická vibračná vlna, ktorá má určité vlastnosti v porovnaní so zvukovým zvukom. Zrýchlenie vibrácií v hmotnostnom bode prenosového média je veľmi veľké. Ultrazvuk má aj špeciálne vlastnosti, ako sú vyššie frekvencie a kratšie vlnové dĺžky, takže je podobný svetelným vlnám s kratšími vlnovými dĺžkami. Vďaka svojej krátkej vlnovej dĺžke vykazujú ultrazvukové vlny koncentrovaný lúč žiarenia, ktorý sa pohybuje v určitom smere, keď prechádzajú cez otvor, ktorý je väčší ako dĺžka vlny.

Vďaka silnému smeru ultrazvuku je možné zbierať informácie. Keď je priemer prekážky väčší ako vlnová dĺžka v smere šírenia ultrazvukom, vznikne za prekážkou "zvukový tieň". Sú to ako svetlo prechádzajúce cez otvory a prekážky, takže ultrazvukové vlny majú charakteristiky lúčov podobné svetelným vlnám. Kvalita zväzku ultrazvukovej vlny sa zvyčajne meria veľkosťou uhla divergencie.

Základné princípy šírenia

Ultrazvuk sa šíri prostredím ako vlnenie. V mäkkých tkanivách a tekutinách ľudského tela sa ultrazvuk šíri formou podĺžneho vlnenia. Ultrazvuk sa podobne ako zvuk najlepšie šíri v pevných látkach, hšie v kvapalinách a najhoršie vo vzduchu. Závislosť rýchlosti vlnenia na prostredí môže byť potenciálnym zdrojom nepresností, ak sa ultrazvuk používa na meranie vzdialeností.

Rýchlosť zvuku závisí od prostredia, v ktorom sa šíri. Pre vzduch o normálnej teplote je rýchlosť šírenia cca 340 m/s a je rovnaká pre vlnenie všetkých frekvencií. V ľudskom tele sa rýchlosť šírenia pohybuje okolo 1540 m/s.

Od zdroja sa ultrazvuk šíri prostredím ako vlnenie. Odrazy sa využívajú napr. na meranie vzdialeností (ultrazvukový diaľkomer), pre zistenie polohy a vzdialenosti telies v homogénnom prostredí sonar, echolot používaný postup sa volá echolokácia.

Na rozhraní dvoch prostredí s rozdielnou akustickou impedanciou môže dochádzať k lomu a odrazu prechádzajúceho akustického vlnenia. Energia dopadajúceho ultrazvukového vlnenia sa rozdelí na časť odrazenú a ďalej prechádzajúcu do druhého prostredia. V prípade, že vlnenie dopadne na plochu menšiu ako je jeho vlnová dĺžka, dochádza k rozptylu.

Absorpčné charakteristiky

Keď sa ultrazvukové vlny pohybujú v rôznych médiách, s nárastom rozširujúcej sa vzdialenosti sa intenzita ultrazvuku postupne oslabuje a energia sa postupne spotrebúva. Tento druh energie absorbované médiom sa nazýva zvuková absorpcia. Absorpcia je priamo úmerná druhej mocnine frekvencie. Čím je frekvencia vyššia, tým je väčšia absorpcia, takže vzdialenosť šírenia zvukových vĺn je menšia.

V plyne, kvapaline a pevnom stave je absorpcia najsilnejšia, slabšia a najmenšia. Takže ultrazvukové vlny cestujú najkratšou vzdialenosťou vo vzduchu. Keď sa ultrazvukové vlny šíria v rovnomernom prostredí, akustická intenzita oslabuje s nárastom vzdialenosti vďaka absorpcii média, čo je útlm zvukových vĺn. Napríklad intenzita ultrazvukovej vlny s frekvenciou 10^6 Hz sa zníži o polovicu po opustení zdroja zvuku a prejde 0,5 m do vzduchu. Je to cestovanie vo vode, bude to 500 miliónov kilometrov pred tým, ako bude polovica tak silná. Je zrejmé, že vzdialenosť prejdená vo vode je 1000-násobok vzdialenosti prejdenej vo vzduchu. Čím je frekvencia vyššia, tým rýchlejšie klesá.

Využitie ultrazvuku

V praxi sa využíva vlastnosť ultrazvuku ohýbať sa a odrážať na materiálových prechodoch (teda tam, kde dochádza k zmene materiálu, a teda aj k zmene rýchlosti šírenia zvuku). Táto vlastnosť sa využíva napr. pri detekcii trhlín a hľadaní vnútorných dislokácií a porúch v materiáloch a technických výrobkoch nedeštruktívnym spôsobom.

V medicíne sa používa napríklad pri lekárskom vyšetrení, pretože ultrazvukové vlny prechádzajú telom a odrážajú sa od jednotlivých orgánov. Odrazené vlny možno počítačovo previesť do formy obrazu (sonografia).

Ultrazvuk vedia produkovať a používať rôzne živočíchy - napr. netopiere ho využívajú na orientáciu v priestore a lov, podobne delfíny využívajú ultrazvuk na orientáciu a lov. Ultrazvuk využívajú aj niektoré druhy hmyzu, napr. moskyty a mory. Viacero druhov živočíchov síce nevie ultrazvuk vyrobiť, ale počuje ho.

Súčasne v prírode existuje široká škála zvierat, ktoré dokážu prenášať a prijímať ultrazvukové zariadenia, z ktorých väčšina netopierov je výnimočná, využíva ultrazvukové ozveny slabého letu a zachytáva potraviny v tme.

Ultrazvuk sa využíva aj na čistenie, kde sa využíva kavitácia - mechanické odstránenie nečistôt rýchlymi nárazmi kvapaliny rozkmitanej ultrazvukom na čistený predmet. Technológia sa používa na čistenie zložitých tvarových dielov.

Ďalšou možnosťou technického využitia je zvlhčovanie vzduchu, keď sa voda „rozprašuje“ ultrazvukovým generátorom na malé čiastočky, ktoré sú schopné sa vznášať vo vzduchu. Pretože voda nebola zahrievaná, vytvára sa vodná hmla bez pár. Táto technológia sa využíva aj pri inhaláciách, kde sa v inhalačnom prístroji „rozprašuje“ voda, resp. liečivá látka.

Biologické účinky ultrazvuku

Interakcie UZ so živým tkanivom možno rozdeliť na pasívne a aktívne. Pasívne interakcie (t. j. absorbcia, odraz a lom) vznikajú pri intenzite UZ energie do 0,1 mW/cm^2 a nespôsobujú štrukturálne zmeny na úrovni buniek a tkanív. O biologických účinkoch ultrazvuku hovoríme pri intenzite UZ poľa nad 0,3 mW/cm^2. Biologické riziká UZ vyšetrenia sú zmeny alebo poškodenia tkanív, spôsobené prehriatím alebo kavitáciou. Literatúra okrajovo udáva aj tzv. netepelné a nekavitačné biologické účinky. Tieto biologické účinky sú však zanedbateľné.

Prehriatie

Prehriatie je zmena absorbovanej akustickej energie na teplo. Ako bezprahový jav je funkciou časovej premennej UZ intenzity. Vyššie prehriatie vzniká pri väčšej intenzite, pri dlhšej dobe aplikácie UZ energie a vyššej frekvencii, rovnako aj pri väčšej tepelnej vodivosti a menšom prekrvení tkaniva. Prehriatie vzniká hlavne na rozhraniach s rozdielnou akustickou impedanciou. Bezpečná zóna je pri teplote do 37,0 °C, riziková pre embryonálne tkanivo pri 39,5 °C a všeobecne riziková zóna teploty pre diferencované tkanivá od 41,0 °C, ak trvá viac ako 5 minút.

Kavitácia

Kavitácia je vznik plynových bublín v tekutom prostredí počas podtlakovej fázy UZ vlny. Kavitácia môže byť prechodná (inak aj kolapsová) alebo stála, oscilujúca v rytme základnej UZ frekvencie (tzv. rezonančná). Rezonančná kavitácia môže periodicky modifikovať priepustnosť bunečných membrán pre väčšie molekuly (napr. DNA). Spomínaný jav je popisovaný aj ako sonoporácia. Kolapsová kavitácia je zdrojom mechanických rázových vĺn, má deštrukčný charakter a vzniká počas fázy veľmi nízkeho tlaku akustickej energie. Kavitácia je prahový jav, s vyšším prahom pre vyššie frekvencie, ako aj s vyšším prahom pre kolapsovú kavitáciu. Riziko vzniku kavitácie možno znížiť použitím nižšej pracovnej frekvencie, väčšej dĺžky impulzov a vyššej opakovacej frekvencie. Pri prudkom stlačení obsahu kavitačných bublín sa krátkodobo zvyšuje teplota (až nad 1000 °K) a tlak (nad 100 MPa). To môže v mieste kolapsovej kavitácie viesť k produkcii voľných radikálov. Na kolapsovú kavitáciu sú citlivé hlavne aminokyseliny s aromatickým jadrom. Teoreticky je možné za bubliny v kvapalnom prostredí pokladať aj napr. pľúca.

Literatúra uvádza viaceré prípady experimentálneho dôkazu kapilárneho krvácania u zvierat, spôsobeného kavitáciou. Používanie kontrastných látok na báze mikrobublín plynu môže teoreticky zvyšovať riziko vzniku kavitácií, a to hlavne v prostredí s nízkou viskozitou.

Intenzita ultrazvuku je ovšem malá. Zdrojem uměle vytvářeného ultrazvuku je ultrazvukový generátor. Pre ultrazvuky o malej intenzite to sú píšťaly, ladičky a sirény, tie sú schopné vytvoriť len kmitočet max. do 200 kHz. Pri mechanickom namáhaní piezoelektrického meniča vzniká na jeho plochách elektrické napätie (elektrický náboj). Piezoelektrické generátory sú najčastejšie používané generátory ultrazvuku v medicíne. Ich fyzikálnou podstatou je piezoelektrický jav, teda zmena tvaru niektorých materiálov v elektrickom poli. Destička z vhodného materiálu (kremeň, niektoré keramické materiály, atď.) je pripojená k elektródam so striedavým napätím. Destička tak kmitá s rovnakou frekvenciou ako priložené napätie a tým mení elektrickú energiu na mechanickú energiu vlnenia.

tags: #fyzikalny #princip #ultrazvuk