Акустические течения. 
Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии

Ультразвуковая волна, распространяясь в среде, теряет часть своей энергии. Эта энергия частично переходит в теплоту, а частично передается массе вещества в виде механического импульса, что приводит в жидких и газообразных средах к возникновению регулярных течений. Эти течения называются акустическими и легко возникают в неоднородном ультразвуковом поле или около различных препятствий.

При ультразвуковом воздействии важно учитывать течения в пограничном слое у поверхности препятствий, помещенных в ультразвуковое поле. В последнем случае характерные масштабы акустических потоков определяются толщиной акустического пограничного слоя, где амплитуда колебания частиц жидкости меняется от 0 у самой поверхности до 0,63 амплитуды в свободном объеме.

Толщина пограничного слоя h зависит от вязкости т| и плотности р жидкости, а также от частоты / ультразвука. Она намного меньше длины волны ультразвука и рассчитывается по формуле.

Например, для биологических жидкостей (г| % 0,25 Пз, р «1Д-10³) при частоте ультразвука 1 МГц толщина пограничного стоя составит примерно 4 10~⁶м (0,004 мм), что значительно меньше длины волны (= 1,5 мм).

Отношение разности скоростей на границах слоя к его толщине (градиент скорости) может в биологической среде достигать весьма значительной величины. Например, при интенсивности ультразвука 1 Вт/см² и частоте 1 МГц градиенты скорости Ю^.ЛО⁵^¹. Этого более чем достаточно для разрыва клеточных мембран, нарушений внутриклеточной структуры, для деградации вирусов, молекул ДНК, РНК и пр.

Особое внимание привлекают вихри, рождающиеся вблизи пульсирующего газового пузырька. Если этот пузырек находится вдали от границ и в процессе пульсаций не меняет своей формы (остается сферическим), вокруг него не могут возникнуть вихревые потоки. Потоки возникают, если пузырьки находятся вблизи поверхности жидкости, около твердой стенки или если форма пузырьков периодически изменяется. Такие пузырьки в огромном количестве появляются в жидкости при кавитации.

Предельную скорость течения вблизи колеблющегося у твердой стенки пузырька можно оценить, пользуясь выражением.

где Us — радиальная скорость границы пузырька; а — средний радиус пузырька; со = 2nf- круговая (циклическая) частота.

В воде, облучаемой ультразвуком с частотой 1 МГц, средний радиус пузырька составляет 2 мкм, U_s°*4 м/с, максимальная скорость микропотоков вблизи него равна примерно 1 м/с.

Микропотоки могут возникать и при взаимодействии ультразвуковой волны с микронеоднородностями, имеющими отличную от среды плотность, например, при взаимодействии с органеллами клеток.

Весьма вероятно, что многие биологические эффекты, наблюдаемые под действием ультразвука, — уменьшение числа гранул гликогена в клетках, разрушение лизосом, изменения в ультраструктуре мышц, в свойствах клеточных мембран и др. — обусловлены в основном ультразвуковыми микропотоками.