Исследование влияния ультразвука на вещества, трансформируемые в аэрозоль.

Московский Государственный технический университет

Им. Н.Э. Баумана

Лабораторная работа

по курсу «Основы медицинской акустики»

«Изучение изменения свойств жидкостей при их ультразвуковой трансформации в аэрозоль»

 

Москва, 2017

Цель работы: экспериментально определить размеры аэрозольных частиц и массу растворенного вещества в аэрозольных частицах.

Задачи работы: 1) изучить теоретический материал по распылению растворов, в том числе и лекарств в аэрозоль; 2) подготовить водный раствор хлористого натрия с спреленной (1-2%) концентрацией. 3) определить цену деления окуляр-микрометра оптического микроскопа, 4) определить размеры частиц аэрозоля, осажденного на гидрофобизованную поверхность стеклянной пластинки, 5) рассчитать массу растворенного вещества в единичной частичке аэрозоля, 6) проанализировать полученные в процессе лабораторной работы результаты и сделать выводы.

 

1. Теоретическая часть

Существует много способов диспергирования жидкостей, однако в медицине, как правило, используются акустические распылители, в которых распыление происходит под действием высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковое распыление жидкости является одним из перспективных направлений медицинского применения ультразвука, так как при ультразвуковом распылении концентрацию аэрозоля (плотность аэрозольных частиц в воздухе) можно регулировать изменением акустической мощности излучателя.

Регулируя параметры ультразвука, можно получить частицы аэрозоля самых разных размеров – от 0,03 до 10 мкм в диаметре. Следует особо отметить, что при ультразвуковом методе аэрозоль получается практически монодисперсным, т.е. большинство частиц имеет одинаковые размеры.

 Согласно кавитационно – волновой гипотезе о механизме распыления жидкости в ультразвуковом фонтане, капли аэрозоля отделяются от гребней капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности струи фонтана.  Капиллярные волны возникают под действием периодических ударных волн, генерируемых кавитационными пузырьками внутри струи. Для создания ультразвукового фонтана используются частоты мегагерцевого диапазона.

 

2

Рис.1 Схематическое изображение процесса образование аэрозоля в «фонтане». 1- излучатель ультразвука, 2- распыляемый раствор, 3 –ультразвуковой фонтан, 4 аэрозоль.

Распыление происходит в верхней части фонтана с образова­нием тонкого стойкого монодисперс­ного аэрозоля, размер капель которого составляет 2—4 мкм. Для получения аэрозоля этим способом удобны фоку­сирующие излучатели с резонансной частотой 1—3 МГц с вогнутой поверхностью. Чаще всего используют керамический излучатель, представляющий собой часть сферы и фокусирующий ультразвуковую энергию в области центра кривизны излучающей поверхности. Фокальное пят­но излучателя располагается обычно несколько ниже поверхности жидко­сти. 

В этом случае поверхность жидкости над фокальным пятном вздымается за счет радиационного акустического давления в виде конусовидного образования – «фонтана» (рис.), сходящийся пучок ультразвуковых волн обуславливает в фокальном пятне плотность энергии, достаточную для возбуждения кавитации. Расходящиеся за фокальным пятном ультразвуковые волны многократно отражаются от поверхности фонтана и в его объеме также создают поле с высокой плотностью энергии. Кавитационные пузырьки из фокального пятна уносятся акустическими потоками в фонтан, где порождают множество новых зародышей кавитации и возбуждают стоячие капиллярные волны конечной амплитуды на поверхности фонтанирующей жидкости. Размеры образующихся аэрозольных частиц уменьшаются со снижением поверхностного натяжения жидкости.

 

Распыляемая жидкость характеризуется несколькими параметрами, оказывающими основное влияние на кинетику и интенсивность процесса ультразвукового распыления. Этими параметрами являются: - вязкость, поверхностное натяжение и толщина слоя распыляемой жидкости. Первый параметр определяет кинетику, второй - энергетику, а толщина слоя – интенсивность процесса.

Следует отметить, что во всех случаях микрокапли образуются из поверхностного слоя жидкости, либо обогащенного поверхностно активными компонентами раствора, либо обедненными компонентами, способными понижать его поверхностное натяжение. Кроме того, при трансформации в аэрозоль, некоторые вещества могут изменять свои свойства.

 

 

ЗАДАНИЕ 1

Исследование влияния ультразвука на вещества, трансформируемые в аэрозоль.