3.5. Калориметрия
Возможно, что наиболее универсальный метод определения энергии, связанной с различными физическими явлениями, — тот, который основан на полном преобразовании ее в измеримое тепло. Что же касается изучаемой здесь энергии ультразвука, то по аналогии с измерениями радиационного давления возможны два подхода: а) измерение общей мощности пучка, захватываемого полностью апертурой приемника; б) измерение локальной величины интенсивности в определенной точке профиля пучка по локальной скорости увеличения температуры в среде с известным коэффициентом поглощения.
Как и в случае измерений радиационного давления, калориметрический способ измерения общей мощности пучка очень привлекателен тем, что в принципе он осуществляется с прямым использованием основных физических величин. Если, однако, он используется для калибровки вторичных приборов, таких как гидрофоны, то снова возникают неопределенности, связанные с точным распределением энергии на краях пучка, где интенсивность мала, и с краевыми эффектами, возникающими при входе пучка в окно калориметра.
Полезным применением ультразвуковой калориметрии, где эти проблемы не возникают, является измерение общей акустической мощности преобразователя при условии, что звуковой пучок целиком направляется в калориметр. Этот способ успешно применяется, например, при калибровке мощных преобразователей, используемых при лечении болезни Меньера (см. гл. 13). Конструкция калориметра показана на рис. 3.5.
Это конкретное применение не требует очень большой чувствительности, и показанное простое устройство вполне пригодно для этой цели. Однако могут быть разработаны калориметрические методы очень высокой чувствительности; осуществимость этого
Рис. 3.5. Образец калориметра для измерения общей мощности пучка. Предназначен для калибровки ультразвуковых пучков преобразователей для лечения болезни Меньера [39]. 1 — Проверяемый преобразователь; 2 — охлаждающая водяная рубашка для предотвращения прямой передачи тепла, выделяющегося из-за внутренних потерь в преобразователе; 3 — термопары; 4 — четыреххлористый углерод. Прибор может быть прокалиброван с помощью встроенной нагревательной обмотки (не показана).
подтверждает использование калориметрии в такой специфической области, как измерение энергии пучков ионизирующего излучения [19]. Современный чувствительный прибор для диапазона частот ультразвука, применяемого в медицине, описан в работе [37].
Измерения локальных величин интенсивности калориметрическими методами возможны с помощью иного подхода. В этом случае основной задачей является достижение высокого пространственного разрешения и наиболее подходящий метод — использование термопар из тонких проволочек наряду с малыми термисторами, дающими более высокую чувствительность по температуре ценой уменьшения пространственного разрешения. Термопарная дозиметрия хорошо описана в работе [12], где она была использована для измерения пространственных распределений и абсолютных значений интенсивности мощных и фокусированных звуковых пучков. Применяемая методика включает в себя изготовление термопары из проволочек диаметром приблизительно 
и помещение ее в звукопоглощающую жидкость, например касторовое масло, коэффициент поглощения которого в рабочем диапазоне температур и частот хорошо известен. При этом обеспечивается, чтобы жидкость и содержащий ее сосуд, который может иметь окна из тонкой полимерной пленки, были хорошо акустически согласованы с внешней средой. Источник звука возбуждается таким образом, чтобы излучался одиночный прямоугольный акустический импульс длительностью около одной секунды; при этом записывается зависимость термоэлектрического потенциала от времени. Эта запись имеет
Рис. 3.6. Запись термоЭДС термопары из тонких проволочек, погруженной в поглощающую среду при воздействии импульса ультразвука длительностью 1 с.
обычную форму, показанную на рис. 3.6, где первоначальный участок быстрого роста соответствует вязкому взаимодействию между проволочкой и средой. Последующая фаза температурной записи вызывается поглощением звука в объеме жидкости, и ее первоначальный, приблизительно линейный наклон является непосредственной мерой локального коэффициента поглощения. При применении в неоднородных, в частности сильно сфокусированных, полях метод несвободен от влияния рассеяния тепла, теплопроводности материала проволочек и акустической нелинейности. Следует отметить, что в случае, когда термопара или другой приемник помещается непосредственно в неизвестную среду, метод дает истинный коэффициент поглощения и, таким образом, обеспечивает информацию, дополнительную к данным по измерению коэффициента затухания (гл. 4).
