12.3.3. СДВИГОВЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Поскольку скорости однонаправленных циркуляций среды в ультразвуковом поле пространственно неоднородны, в среде возникают градиенты скорости. Объекты, попадающие в такие течения, подвергаются действию сдвиговых напряжений. Градиенты скорости максимальны вблизи границ, поскольку отсутствие проскальзывания определяет нулевую скорость среды на границе. Область, в которой скорость изменяется от нуля до ее значения в объеме среды, называется пограничным слоем. Его толщина может быть выражена как

где — круговая частота звукового поля, до и плотность и сдвиговая вязкость среды соответственно [108].

Видно, что толщина пограничного слоя обратно пропорциональна корню из частоты. Так, например, для воды на частоте 1 МГц она равна см.

В среде возникают два типа градиентов скорости. Градиенты скорости, обусловленные акустическими течениями, стационарны и относительно постоянны во времени. Периодическая природа ультразвука приводит к тому, что в среде на границах возникают и градиенты колебательной скорости.

Сдвиговое напряжение связанное с градиентом скорости есть

Найборг [109] рассчитал, что в воде на частоте 1 МГц и при интенсивности эти колебательные напряжения порядка

Можно показать, что колебательные напряжения выражаются как

Постоянное напряжение, возникающее на границе из-за однонаправленных течений вокруг колеблющейся сферической частицы радиусом равно [116]

Рис. 12.16. Влияние времени экспозиции на критические сдвиговые напряжения для гемолиза красных кровяных телец. I — Область воздействия объемных напряжений; II — область воздействия поверхностных эффектов. Способы создания сдвиговых напряжений: 1 — вискозиметр из концентрических цилиндров; 2 — капилляры, пузырьки, осциллирующие проволочки; 3 — струи [80].

Хотя постоянные напряжения могут быть на порядок меньше колебательных напряжений, они действуют на границе более длительное время и оказывают более существенное воздействие на клетки. При изучении биоэффектов, производимых сдвиговыми напряжениями, широко применяют гемолиз красных кровяных телец в суспензии in vitro (например, [80, 116]).

Вполне естественно, что критические напряжения, необходимые для гемолиза, увеличиваются при уменьшении длительности их действия. Это иллюстрирует рис. 12.16.

Высокие сдвиговые напряжения в акустических течениях, могут, таким образом, быть причиной повреждений в биологических тканях. Предполагают, например, что повреждения эндотелия, наблюдаемые как в кровеносных сосудах эмбрионов цыплят [27], так и в кровеносных сосудах матки мышей [58], обусловлены частично сдвиговыми напряжениями, возникающими из-за акустических течений. Это предположение основано на том, что повреждение имеет место на облученной стороне стенки сосуда, где жидкость контактирует с оболочкой. На внешней стороне стенки тоже имеется жидкость, но более вязкая, чем плазма крови и, таким образом, вязкие напряжения, возникающие из-за акустических течений, здесь будут менее значительными.