Звук представляет собой продольные упругие волны, распространяющиеся в сплошной среде (газ, жидкость, твёрдое тело) за счёт колебаний частиц среды относительно положения равновесия. Важным условием распространения звука является наличие упругих связей между частицами вещества. Вакуум, не обладая такими связями, не может быть средой для звука.
Продольные волны характеризуются поочерёдным сжатием и разрежением среды. Основными параметрами звуковой волны являются:
Инфразвук: < 20 Гц Возникает в природе (землетрясения, колебания зданий) и может оказывать физиологическое влияние.
Слышимый звук: 20 Гц – 20 кГц Диапазон, воспринимаемый человеческим ухом.
Ультразвук: > 20 кГц Применяется в медицине, технике, биологии. Не воспринимается ухом, но активно взаимодействует с тканями.
Гиперзвук: > 1 ГГц Находит применение в исследовательских задачах и нанотехнологиях.
Скорость звука определяется выражением:
$$ v = \sqrt{\frac{E}{\rho}} $$
где E — модуль упругости среды, ρ — плотность среды.
Скорость звука выше в жидкостях и твёрдых телах по сравнению с газами благодаря большей упругости среды.
Звуковые волны при переходе через границу между двумя средами подвергаются отражению и преломлению. Эти явления зависят от акустического сопротивления среды:
Z = ρ ⋅ v
где Z — акустическое сопротивление. При резком различии Z на границе происходит сильное отражение, что используется, например, в ультразвуковой диагностике.
Поглощение звука зависит от вязкости среды, релаксационных процессов и внутреннего трения. Поглощение приводит к экспоненциальному уменьшению амплитуды звука с расстоянием:
A(x) = A0e−αx
где α — коэффициент поглощения.
Интерференция звука — результат наложения нескольких волн, вызывающий усиление или ослабление звука в зависимости от фазового сдвига.
Дифракция звука наблюдается при огибании звуковыми волнами препятствий. Благодаря большой длине волны слышимый звук легко огибает преграды.
Стоячие волны формируются при наложении встречных волн и характеризуются чередованием узлов (нулевая амплитуда) и пучностей (максимальная амплитуда). Принцип стоячих волн лежит в основе резонансных явлений.
Ультразвук — это высокочастотные колебания, обладающие короткой длиной волны, что обеспечивает высокое пространственное разрешение. Основные физические особенности ультразвука:
Различают низкочастотный ультразвук (до 1 МГц) — применяется в физиотерапии и высокочастотный (1–20 МГц и выше) — в диагностике.
Ультразвук в медицинской практике генерируется с помощью пьезоэлектрических кристаллов, способных преобразовывать электрические сигналы в механические колебания и обратно. Основу работы таких преобразователей составляет пьезоэлектрический эффект, открытый в XIX веке.
При возбуждении переменным током пьезоэлемент начинает вибрировать с резонансной частотой, соответствующей частоте ультразвуковой волны. Приём ультразвука осуществляется тем же элементом, работающим в обратном режиме.
Акустическое поле ультразвукового излучателя можно описать как совокупность продольных волн, распространяющихся с определённым углом расходимости. В фокусированных преобразователях излучение собирается в одну точку — фокус, что позволяет достичь высокой концентрации энергии и точности диагностики.
Фокусировка может быть:
Ультразвук, проходя через ткани, подвергается:
Коэффициенты отражения и пропускания зависят от соотношения акустических сопротивлений:
$$ R = \left( \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} \right)^2, \quad T = 1 - R $$
где Z1 и Z2 — акустические сопротивления двух сред.
В тканях организмов ультразвук вызывает следующие явления:
Все эти эффекты могут быть как терапевтическими, так и потенциально опасными при превышении доз.
Диагностика:
Терапия:
Развитие ультразвуковых методов включает:
Новые подходы включают наноультразвук, ультразвуковую химию и ультразвуковую нейромодуляцию, расширяя границы применения физики звука в биомедицине.