Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 501, № 1, стр. 63-67

Периодические воздействия на кожный покров человека могут влиять не только на поверхностные слои кожного покрова и на эпителий, но также на подкожные мышцы, на элементы кровеносной и лимфатических систем, на биохимические превращения, в частности, на насыщение крови связанным кислородом, на внутренние органы, на кровоток и лимфоток, а также на приток крови, лимфы и лекарственных препаратов к внутренним органам. Исследование этого требует широкого диапазона параметров воздействий: давление должно изменяться от нулевых значений (разрежение) до существенных положительных (сжатие), скорости должны иметь все три пульсирующие компоненты, частоты и амплитуды воздействий должны быть управляемыми и находиться в широком диапазоне значений.

Для осуществления периодических воздействий известно большое число массажных устройств разного принципа действия: электромеханические, ультразвуковые, жидкостные струйные и другие. Однако достаточной широты диапазона изменений параметров как скоростей жидкости, воздействующей на кожный покров, так и давлений они не достигают.

Авторами разработаны гидроволновые устройства [1, 2], которые обеспечивают волновое воздействие на кожный покров человека трехмерными (в частности, спиральными) волнами, в широком диапазоне частот и амплитуд. При этом происходит циклическое вакуум-прессующее многомерное воздействие на кожный покров. Пульсирующие компоненты скоростей жидкости в струе (продольных, поперечных и азимутальных) сопровождаются пульсациями давления, в процессе которых сжатие сменяется разрежением. Разрежение и сжатие обеспечиваются автоколебаниями жидкости, возбуждаемыми в струе жидкости. Механизмы возбуждения автоколебаний обусловлены взаимодействием жидких струй между собой внутри корпуса устройства, либо с образующимися в ней парогазовыми включениями. Частота возбуждаемых автоколебаний поддается регулированию путем изменения расхода жидкости, протекающей через устройство. Усиление автоколебаний обеспечивается резонаторами различной природы. Трехмерный характер течения жидкости в струе обеспечивается волноводными эффектами. В частности, спиральные скорости обеспечиваются генерацией в течении поперечных и азимутальных составляющих скоростей.

Это принципиально отличает данные гидростимуляторы от сертифицированных в Минздраве России традиционных гидромассажных устройств, в которых с помощью одномерной водяной струи обеспечивается давящее давление переменной величины, флуктуирующей вокруг значения атмосферного давления, без создания фазы разрежения (фазы “присасывающего”, отрицательного давления) и без поперечных и азимутальных составляющих скорости, обеспечивающих спиралевидное течение. В настоящее время не известны сертифицированные устройства с трехмерными волнами и такими функциональными свойствами.

Представляется, что данная уникальная особенность этих гидроволновых массажеров после проведения комплекса клинических исследований может быть использована не только для проведения лабораторных экспериментов, но и может привести также к разработке прототипов аппаратов для лечебной практики, а также в целях профилактики и реабилитации при широком круге заболеваний бронхолегочной, пищеварительной, мочеполовой систем, а также в спортивной медицине и травматологии. Конструкции гидроволновых массажеров весьма разнообразны. Здесь для примера покажем две схемы гидромассажеров струйного (рис. 1) [1] и струйно-вихревого типа (рис. 2) [2].

Рис. 1.

Конструктивная схема гидромассажера струйного типа: 1 – штуцер входной, 2 – обтекатель, 3 – сопло кольцевое, 4 – корпус верхний, 5 – корпус нижний, 6 – камера резонансная, 7 – сопло, 8 – обрабатываемая поверхность.

Рис. 2.

Конструктивная схема гидромассажера струйно-вихревого типа: 1 – корпус, 2 – завихритель, 3 – сопло, 4 – обрабатываемая поверхность.

В первом случае (рис. 1) рабочая жидкость (водопроводная вода) подавалась с помощью гибкого шланга во входной штуцер 1 и с помощью обтекателя 2 через кольцевое сопло 3 направлялась в верхний корпус 4, который совместно с нижним корпусом 5 образовывал тороидальную резонансную камеру 6. Затем вода выходила из массажера через сопло 7 к обрабатываемой поверхности 8. Кольцевой поток воды, выходящий из тороидальной резонансной камеры 6 с определенной частотой, зависящей от частоты собственных колебаний всей системы, прерывал основную кольцевую струю, истекающую из кольцевого сопла 3. Вследствие этого у активной кольцевой кромки тороидальной резонансной камеры 6 генерировались периодические гидродинамические импульсы в виде сжатия и разрежения потока воды. Под воздействием кольцевого потока, выходящего из тороидальной резонансной камеры, под нижней сферической поверхностью обтекателя 2 образовывалась зона разрежения, которая способствовала усилению амплитуды генерируемых волн. Амплитудно-частотные (спектральные) характеристики данного устройства зависят от площади поверхности и объема резонансной камеры, скорости истечения воды из кольцеобразного сопла и ее расхода. Их можно менять путем взаимного перемещения верхнего 4 и нижнего 5 корпусов.

Во втором случае (рис. 2) рабочая жидкость (водопроводная вода) подавалась с помощью гибкого шланга в корпус 1 и поступала к завихрителю 2. Особое расположение подающих отверстий в завихрителе, показанных на рис. 2 схематично, обеспечивало создание в течении трехмерных струй, имеющих все компоненты скорости: аксиальную, радиальную и тангенциальную. Как показали эксперименты [2], такой способ подачи жидкости позволил увеличить амплитуду колебаний давления, создаваемых в массажере, в 4–6 раз по сравнению со случаем чисто тангенциальной подачи, при котором подающие отверстия лежат в плоскости, перпендикулярной оси течения. Наличие тангенциальной компоненты скорости обеспечивало закрутку потока. За счет центробежных эффектов в приосевой зоне цилиндрического канала завихрителя 2 и сопла 3 возникали области пониженного давления, что обеспечивало эффект разрежения. При определенных значениях параметров закрученного течения устанавливался режим автоколебаний, приводящий к появлению трехмерных волн давления, распространявшихся от гидромассажера, корпус которого выступает в данном случае как цилиндрический волновод [3].

Отметим, что конструкции массажеров не сводятся к приведенным схемам. Они могут быть весьма разнообразными [4, 5]. В данной работе результаты представлены для массажеров струйно-вихревого типа (рис. 2).

Теоретические исследования течений в массажерах разных схем, проведенные с помощью оригинальных математических моделей [3], а также с помощью пакета ANSYS FLUENT [6, 7] по модели турбулентности LES [8–10], показало возникновение трехмерных, в том числе спиральных, волн в вытекающих струях жидкости, что было подтверждено экспериментально.

В процессе исследований были получены амплитудно-частотные характеристики колебаний давления на оси симметрии, на различных расстояниях h от гидромассажера, представленные на рис. 3. Использовался датчик динамического давления PS2001-5-01 производства “ГлобалТест” (г. Саров, Россия) и осциллограф WaveSurfer MXs-B компании “LeCroy”.

Рис. 3.

Амплитудно-частотные характеристики колебаний давления на оси симметрии при расходе воды Q = 14 дм³/мин на различных расстояниях h от гидромассажера: а – h = 1 мм, б – h = 2 мм, в – h = 3 мм.

Можно видеть, что с увеличением зазора h положения спектральных максимумов изменяются незначительно, в пределах частот от 92 до 106 Гц. В то же время амплитуда колебаний достигает максимального значения при h = 2 мм. Это связано c резонансными эффектами, возникающими при отражении волн давления от обрабатываемой поверхности.

С увеличением расхода воды Q через массажер происходит заметное перестроение амплитудно-частотной характеристики (рис. 4).

Рис. 4.

Влияние расхода воды Q на спектры колебаний при зазоре h = 2 мм: а – Q = 9 дм³/мин, б – Q = 12 дм³/мин, в – Q = 14 дм³/мин.

При Q = 9 дм³/мин наблюдается острый максимум на частоте f = 20 Гц величиной 0.15 кПа, соответствующий продольной резонансной волне. С увеличением расхода до Q = 12 дм³/мин этот максимум перемещается до f = 40 Гц, а его величина составляет 0.085 кПа. Уменьшение амплитуды в данном случае вызвано уширением соответствующей спектральной линии. Появление второго максимума вызвано появлением поперечной волны. Последующее увеличение расхода до Q = 14 дм³/мин приводит к дальнейшему сдвигу максимумов в высокочастотном направлении. Наблюдаются два близко расположенных максимума на частотах f  = 96 и 106 Гц, а их величины составляют 0.39 и 0.41 кПа соответственно.

Таким образом, путем изменения расхода воды через массажер можно регулировать спектр колебаний, а также интенсивность и формы волнового воздействия.

Уровень разрежения, создаваемого струйно-вихревым гидромассажером, иллюстрируется табл. 1. Здесь p₀ =100 кПа – нормальное атмосферное давление.

Для измерения статического разрежения на обрабатываемой поверхности использовался мановакуумметр EN-837-1 производства компании Wika (Германия) с пределами измерений от –100 до +150 кПа класса 1,0. Максимальное разрежение при расходе Q = 14 дм³/мин составило 25 кПа.

Таким образом, теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что предложенные устройства одновременно создают трехмерные волны автоколебательного характера, в том числе спиральные, и эффект разрежения. Частоты и амплитуды генерируемых колебаний скоростей и давлений имеют широкий спектр. Это позволяет рассматривать их как перспективные устройства для физиотерапии нового класса для широкого использования в медицине. Рекомендации по их применению можно будет дать после проведения клинических испытаний.