Aplicación de ultrasonido. ¿Qué es la ecografía y para qué sirve?

Las frecuencias entre 16 y 18.000 Hz, que el audífono humano puede percibir, se denominan habitualmente frecuencias sonoras; por ejemplo, el chirrido de un mosquito »10 kHz. Pero el aire, las profundidades de los mares y las entrañas de la tierra lleno de sonidos que se encuentran por debajo y por encima de este rango: infrarrojos y ultrasonidos. En la naturaleza, los ultrasonidos se encuentran como componente de muchos ruidos naturales: en el ruido del viento, las cascadas, la lluvia, los guijarros marinos arrastrados por las olas y en las descargas de rayos. Muchos mamíferos, como los gatos y los perros, tienen la capacidad de percibir ultrasonidos con una frecuencia de hasta 100 kHz, y todos conocen bien la capacidad de localización de los murciélagos, los insectos nocturnos y los animales marinos. La existencia de sonidos inaudibles se descubrió con el desarrollo de la acústica a finales del siglo XIX. Al mismo tiempo, comenzaron los primeros estudios sobre la ecografía, pero las bases de su uso no se sentaron hasta el primer tercio del siglo XX.

El límite inferior del rango ultrasónico se denomina vibraciones elásticas con una frecuencia de 18 kHz. El límite superior del ultrasonido está determinado por la naturaleza de las ondas elásticas, que sólo pueden propagarse si la longitud de onda es significativamente mayor que el camino libre de las moléculas (en gases) o las distancias interatómicas (en líquidos y gases). en gases limite superior es »106 kHz, en líquidos y sólidos »1010 kHz. Como regla general, las frecuencias de hasta 106 kHz se denominan ultrasonidos. Las frecuencias más altas comúnmente se denominan hipersonidos.

Las ondas ultrasónicas por su naturaleza no se diferencian de las ondas en el rango audible y están sujetas a las mismas leyes fisicas. Pero el ultrasonido tiene características específicas, lo que determinó su uso generalizado en ciencia y tecnología. Aquí están los principales:

• Longitud de onda corta. Para el rango ultrasónico más bajo, la longitud de onda no supera varios centímetros en la mayoría de los medios. La longitud de onda corta determina la naturaleza del rayo de propagación de las ondas ultrasónicas. Cerca del emisor, el ultrasonido se propaga en forma de haces de tamaño similar al tamaño del emisor. Cuando encuentra faltas de homogeneidad en el medio, el haz ultrasónico se comporta como un haz de luz, experimentando reflexión, refracción y dispersión, lo que permite formar imágenes sonoras en medios ópticamente opacos utilizando efectos puramente ópticos (enfoque, difracción, etc.)
• Un corto período de oscilación, que permite emitir ultrasonidos en forma de pulsos y realizar una selección temporal precisa de las señales que se propagan en el medio.
• Posibilidad de obtener valores elevados de energía de vibración a baja amplitud, porque la energía de vibración es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Esto permite crear haces y campos ultrasónicos con un alto nivel de energía, sin necesidad de equipos de gran tamaño.
• En el campo ultrasónico se desarrollan importantes corrientes acústicas. Por tanto, el impacto de los ultrasonidos en el medio ambiente da lugar a efectos específicos: físicos, químicos, biológicos y médicos. Como cavitación, efecto capilar sónico, dispersión, emulsificación, desgasificación, desinfección, calentamiento local y muchos otros.
• El ultrasonido es inaudible y no genera molestias al personal operativo.

Historia de la ecografía. ¿Quién descubrió la ecografía?

La atención a la acústica fue impulsada por las necesidades. Armada potencias principales: Inglaterra y Francia, porque La acústica es el único tipo de señal que puede viajar lejos en el agua. En 1826 El científico francés Colladon. determinó la velocidad del sonido en el agua. El experimento de Colladon se considera el nacimiento de la hidroacústica moderna. La campana submarina del lago Lemán fue golpeada con la ignición simultánea de pólvora. Colladon observó el destello de la pólvora a una distancia de 10 millas. También escuchó el sonido de la campana utilizando un tubo auditivo submarino. Al medir el intervalo de tiempo entre estos dos eventos, Colladon calculó que la velocidad del sonido era de 1435 m/seg. diferencia con informática moderna sólo 3 m/seg.

En 1838, en Estados Unidos, se utilizó por primera vez el sonido para determinar el perfil del fondo marino con el fin de tender un cable telegráfico. La fuente del sonido, como en el experimento de Colladon, era una campana que sonaba bajo el agua y el receptor eran grandes tubos auditivos bajados por el costado del barco. Los resultados del experimento fueron decepcionantes. El sonido de la campana (como también la explosión de los cartuchos de pólvora en el agua) produjo un eco demasiado débil, casi inaudible entre los demás sonidos del mar. Era necesario ir a la región de frecuencias más altas, permitiendo la creación de haces de sonido dirigidos.

Primer generador de ultrasonidos hecho en 1883 por un inglés francisco galton. El ultrasonido se creó como un silbido en el filo de un cuchillo cuando se soplaba. El papel de tal punto en el silbato de Galton lo desempeñaba un cilindro con bordes afilados. El aire u otro gas que salía bajo presión a través de una boquilla anular con un diámetro igual al borde del cilindro corría hacia el borde y se producían oscilaciones de alta frecuencia. Al hacer sonar el silbato con hidrógeno, fue posible obtener oscilaciones de hasta 170 kHz.

En 1880 Pierre y Jacques Curie hizo un descubrimiento que fue decisivo para la tecnología de ultrasonido. Los hermanos Curie notaron que cuando se aplica presión a los cristales de cuarzo, carga eléctrica, directamente proporcional a la fuerza aplicada al cristal. Este fenómeno fue llamado "piezoelectricidad" desde Palabra griega, que significa "presionar". Además, demostraron el efecto piezoeléctrico inverso, que se manifestaba cuando un cambio rápido potencial eléctrico aplicado a un cristal, haciéndolo vibrar. A partir de ahora es técnicamente posible fabricar emisores y receptores de ultrasonidos de pequeño tamaño.

La muerte del Titanic por una colisión con un iceberg, la necesidad de combatir nuevas armas. submarinos Requirió el rápido desarrollo de la hidroacústica ultrasónica. En 1914, físico francés Paul Langevin Junto con el talentoso científico emigrante ruso Konstantin Vasilyevich Shilovsky, desarrollaron por primera vez un sonar que consta de un emisor de ultrasonido y un hidrófono, un receptor de vibraciones ultrasónicas basado en el efecto piezoeléctrico. Sonar Langevin-Shilovsky, fue el primer dispositivo ultrasónico., utilizado en la práctica. Al mismo tiempo, el científico ruso S.Ya Sokolov desarrolló los fundamentos de la detección de defectos por ultrasonidos en la industria. En 1937, el psiquiatra alemán Karl Dussick, junto con su hermano, el físico Friedrich, utilizaron por primera vez la ecografía para detectar tumores cerebrales, pero los resultados que obtuvieron resultaron poco fiables. EN práctica médica El ultrasonido comenzó a utilizarse por primera vez en los años 50 del siglo XX en los EE. UU.

Recibir ultrasonido.

Los emisores de ultrasonidos se pueden dividir en dos grandes grupos:

1) Las oscilaciones son provocadas por obstáculos en el camino de una corriente de gas o líquido, o por la interrupción de una corriente de gas o líquido. Se utilizan de forma limitada, principalmente para obtener ultrasonidos potentes en un entorno gaseoso.

2) Las oscilaciones se excitan mediante la transformación en oscilaciones mecánicas de corriente o voltaje. La mayoría de los dispositivos ultrasónicos utilizan emisores de este grupo: transductores piezoeléctricos y magnetoestrictivos.

Además de los transductores basados ​​en el efecto piezoeléctrico, se utilizan transductores magnetoestrictivos para generar un potente haz ultrasónico. La magnetoestricción es un cambio en el tamaño de los cuerpos cuando cambian. estado magnético. Un núcleo de material magnetoestrictivo colocado en un devanado conductor cambia su longitud de acuerdo con la forma de la señal de corriente que pasa a través del devanado. Este fenómeno, descubierto en 1842 por James Joule, es característico de los ferromagnetos y ferritas. Los materiales magnetoestrictivos más utilizados son las aleaciones a base de níquel, cobalto, hierro y aluminio. La mayor intensidad de radiación ultrasónica se puede lograr con la aleación Permendur (49% Co, 2% V, el resto Fe), que se utiliza en potentes emisores ultrasónicos. En particular, los producidos por nuestra empresa.

Aplicación de ultrasonido.

Las diversas aplicaciones de la ecografía se pueden dividir en tres áreas:

• obtener información sobre una sustancia
• efecto sobre la sustancia
• procesamiento y transmisión de señales

Dependencia de la velocidad de propagación y la atenuación. ondas acusticas sobre las propiedades de la materia y los procesos que en ella ocurren, se utiliza en los siguientes estudios:

• estudio de procesos moleculares en gases, líquidos y polímeros
• estudio de la estructura de cristales y otros sólidos
• control de reacciones químicas, transiciones de fase, polimerización, etc.
• determinación de la concentración de la solución
• determinación de las características de resistencia y composición de los materiales.
• determinación de la presencia de impurezas
• determinación del caudal de líquido y gas

La medición de la velocidad del sonido en sólidos permite determinar las características elásticas y de resistencia de los materiales estructurales. Este método indirecto para determinar la resistencia es conveniente debido a su simplicidad y la posibilidad de uso en condiciones reales.

Los analizadores de gases ultrasónicos controlan la acumulación de impurezas peligrosas. La dependencia de la velocidad ultrasónica de la temperatura se utiliza para la termometría sin contacto de gases y líquidos.

Los caudalímetros ultrasónicos que funcionan con el efecto Doppler se basan en la medición de la velocidad del sonido en líquidos y gases en movimiento, incluidos los no homogéneos (emulsiones, suspensiones, pulpas). Se utiliza equipo similar para determinar la velocidad y el flujo de sangre en estudios clínicos.

Un gran grupo de métodos de medición se basa en la reflexión y dispersión de ondas ultrasónicas en los límites entre medios. Estos métodos le permiten determinar con precisión la ubicación de cuerpos extraños en el medio ambiente y se utilizan en áreas tales como:

• sonar
• pruebas no destructivas y detección de fallas
• diagnostico medico
• determinación de niveles de líquidos y sólidos friables en contenedores cerrados
• determinar los tamaños del producto
• visualización de campos sonoros: visión sonora y holografía acústica.

La reflexión, la refracción y la capacidad de enfocar ultrasonidos se utilizan en la detección de defectos por ultrasonidos, en microscopios acústicos ultrasónicos, en diagnósticos médicos y para estudiar macroinhomogeneidades de una sustancia. La presencia de heterogeneidades y sus coordenadas están determinadas por las señales reflejadas o por la estructura de la sombra.

Métodos de medición basados ​​en la dependencia de los parámetros de resonancia. sistema oscilatorio en función de las propiedades del medio que lo carga (impedancia), se utilizan para la medición continua de la viscosidad y la densidad de líquidos, y para medir el espesor de piezas a las que sólo se puede acceder desde un lado. El mismo principio subyace a los durómetros, medidores de nivel e interruptores de nivel por ultrasonidos. Ventajas de los métodos de prueba ultrasónicos: corto tiempo de medición, capacidad de controlar ambientes explosivos, agresivos y tóxicos, ningún impacto del instrumento en el ambiente y los procesos controlados.

El efecto del ultrasonido sobre una sustancia.

El efecto del ultrasonido sobre una sustancia, que provoca cambios irreversibles en ella, se utiliza ampliamente en la industria. Al mismo tiempo, los mecanismos de influencia del ultrasonido son diferentes para diferentes ambientes. En los gases, el principal factor operativo son las corrientes acústicas, que aceleran los procesos de transferencia de calor y masa. Además, la eficiencia de la mezcla ultrasónica es significativamente mayor que la de la mezcla hidrodinámica convencional, porque la capa límite tiene un espesor menor y, como resultado, un mayor gradiente de temperatura o concentración. Este efecto se utiliza en procesos como:

• secado ultrasónico
• combustión en un campo ultrasónico
• coagulación por aerosol

En el procesamiento ultrasónico de líquidos, el principal factor operativo es cavitación . Los siguientes procesos tecnológicos se basan en el efecto de cavitación:

• limpieza ultrasónica
• metalización y soldadura
• Efecto capilar del sonido: penetración de líquidos en los poros y grietas más pequeños. Se utiliza para la impregnación de materiales porosos y se produce durante cualquier procesamiento ultrasónico de sólidos en líquidos.
• cristalización
• intensificación de procesos electroquímicos
• obtención de aerosoles
• Destrucción de microorganismos y esterilización ultrasónica de instrumentos.

Corrientes acústicas- uno de los principales mecanismos del efecto de los ultrasonidos sobre la materia. Es causada por la absorción de energía ultrasónica en la sustancia y en capa límite. Los flujos acústicos se diferencian de los hidrodinámicos en el pequeño espesor de la capa límite y en la posibilidad de que se adelgace al aumentar la frecuencia de oscilación. Esto conduce a una disminución en el espesor de la capa límite de temperatura o concentración y a un aumento en los gradientes de temperatura o concentración que determinan la velocidad de transferencia de calor o masa. Esto ayuda a acelerar los procesos de combustión, secado, mezcla, destilación, difusión, extracción, impregnación, sorción, cristalización, disolución, desgasificación de líquidos y fundidos. en la corriente con energia alta La influencia de la onda acústica se realiza debido a la energía del propio flujo, al cambiar su turbulencia. En este caso, la energía acústica puede ser sólo una fracción de un porcentaje de la energía del flujo.

Cuando una onda sonora de alta intensidad atraviesa un líquido, se produce el llamado cavitación acústica . En una onda sonora intensa, durante los semiperíodos de rarefacción, aparecen burbujas de cavitación, que colapsan bruscamente al pasar a una zona de alta presión. En la zona de cavitación se producen potentes perturbaciones hidrodinámicas en forma de microondas de choque y microflujos. Además, el colapso de las burbujas se acompaña de un fuerte calentamiento local de la sustancia y la liberación de gas. Esta exposición conduce a la destrucción incluso de sustancias tan duraderas como el acero y el cuarzo. Este efecto se utiliza para dispersar sólidos, producir finas emulsiones de líquidos inmiscibles, excitar y acelerar reacciones químicas, destruir microorganismos, extraer de animales y células vegetales enzimas. La cavitación también produce efectos como el débil resplandor de un líquido bajo la influencia de los ultrasonidos. sonoluminiscencia y penetración anormalmente profunda de líquido en los capilares - efecto sonocapilar .

La dispersión por cavitación de cristales de carbonato de calcio (incrustaciones) es la base de los dispositivos antical acústicos. Bajo la influencia del ultrasonido, las partículas en el agua se dividen, su tamaño promedio disminuye de 10 a 1 micrón, su número aumenta y área total superficies de partículas. Esto conduce a la transferencia de la formación de incrustaciones desde la superficie de intercambio de calor directamente al líquido. El ultrasonido también afecta la capa de incrustaciones formada, formando microfisuras en ella que contribuyen a la rotura de trozos de incrustaciones de la superficie de intercambio de calor.

En las instalaciones de limpieza por ultrasonidos, con la ayuda de la cavitación y los microflujos que genera, se eliminan tanto los contaminantes adheridos a la superficie, como incrustaciones, incrustaciones, rebabas, como los contaminantes blandos, como películas de grasa, suciedad, etc. El mismo efecto se utiliza para intensificar los procesos electrolíticos.

Bajo la influencia de los ultrasonidos, se produce un efecto tan curioso como la coagulación acústica, es decir. convergencia y agrandamiento de partículas suspendidas en líquidos y gases. El mecanismo físico de este fenómeno aún no está del todo claro. La coagulación acústica se utiliza para la deposición de polvos, humos y nieblas industriales a frecuencias bajas para ultrasonidos, hasta 20 kHz. Es posible que los efectos beneficiosos del timbre. Campanas de iglesia en base a este efecto.

El procesamiento mecánico de sólidos mediante ultrasonidos se basa en los siguientes efectos:

• Reducción de la fricción entre superficies durante las vibraciones ultrasónicas de una de ellas.
• reducción del límite elástico o deformación plastica bajo la influencia del ultrasonido
• Fortalecimiento y reducción de tensiones residuales en metales bajo el impacto de una herramienta con frecuencia ultrasónica.
• Efectos combinados de compresión estática y ultra. vibraciones de sonido utilizado en soldadura ultrasónica

Existen cuatro tipos de mecanizado mediante ultrasonidos:

• Procesamiento dimensional de piezas hechas de materiales duros y quebradizos.
• corte de materiales difíciles de cortar con aplicación ultrasónica en la herramienta de corte
• desbarbado en baño de ultrasonidos
• Rectificado de materiales viscosos con limpieza ultrasónica de la muela abrasiva.

Efectos del ultrasonido en objetos biológicos Provoca una variedad de efectos y reacciones en los tejidos del cuerpo, que se usa ampliamente en terapia de ultrasonido y cirugía. El ultrasonido es un catalizador que acelera el establecimiento de un estado de equilibrio, desde un punto de vista fisiológico, del cuerpo, es decir. estado saludable. El ultrasonido tiene un efecto mucho mayor en los tejidos enfermos que en los sanos. También se utiliza la pulverización ultrasónica. medicamentos durante la inhalación. La cirugía ultrasónica se basa en los siguientes efectos: destrucción de tejido mediante el propio ultrasonido enfocado y la aplicación de vibraciones ultrasónicas a un instrumento quirúrgico cortante.

Los dispositivos ultrasónicos se utilizan para la conversión y el procesamiento analógico de señales electrónicas y para el control de señales luminosas en óptica y optoelectrónica. El ultrasonido de baja velocidad se utiliza en líneas de retardo. El control de las señales ópticas se basa en la difracción de la luz mediante ultrasonidos. Uno de los tipos de difracción, la llamada difracción de Bragg, depende de la longitud de onda del ultrasonido, lo que permite aislar un intervalo de frecuencia estrecho de un amplio espectro de radiación luminosa, es decir, filtro de luz.

El ultrasonido es algo sumamente interesante y se puede suponer que muchas de sus aplicaciones prácticas aún son desconocidas para la humanidad. Amamos y conocemos el ultrasonido y estaremos encantados de discutir cualquier idea relacionada con su aplicación.

¿Dónde se utiliza la ecografía? Tabla resumen

Nuestra empresa, LLC Koltso-Energo, se dedica a la producción e instalación de dispositivos acústicos antical "Acoustic-T". Los dispositivos producidos por nuestra empresa se distinguen por un nivel excepcionalmente alto de señal ultrasónica, lo que les permite funcionar en calderas sin tratamiento de agua y calderas de vapor con agua artesiana. Pero prevenir las incrustaciones es una parte muy pequeña de lo que puede hacer la ecografía. Esta asombrosa herramienta natural tiene enormes posibilidades y queremos hablarte de ellas. Los empleados de nuestra empresa trabajan desde hace muchos años en las principales empresas rusas dedicadas a la acústica. Sabemos mucho sobre ultrasonido. Y si de repente surge la necesidad de utilizar ultrasonido en tu tecnología,

MINISTERIO DE EDUCACIÓN DE LA REGIÓN DE RIAZÁN

Presupuesto Regional del Estado

Institución educativa profesional

"Riazán colegio de formación de profesores»

PROYECTO DE FORMACIÓN INDIVIDUAL

En la disciplina académica "Física"

Tema: “Ultrasonido e infrasonido en la vida humana”

Completado por: Vasilyeva

Alena Nikoláievna

Especialidad: 44/02/02 Docencia

EN escuela primaria

Grupo: 11

Jefe: Galkina

Natalia Evgenievna

Introducción.

Elegí el tema “Ultrasonidos e infrasonidos en la vida humana” porque lo encuentro muy interesante y útil.

Los infrasonidos y los ultrasonidos están fuera del rango de frecuencias que provocan las sensaciones sonoras.

Los infrasonidos, u ondas elásticas con frecuencias de 16 Hz o menos, se producen en diversas condiciones: cuando son arrastrados por el viento. varios artículos, vibración con suficiente amplitud de máquinas herramienta, la carrocería de un automóvil en movimiento, un motor de avión en marcha, etc. Los órganos auditivos humanos no perciben los infrasonidos, pero el cuerpo en su conjunto reacciona a ellos, por lo que es comprensible la necesidad de un estudio detallado de tales vibraciones. La investigación sobre el infrasonido comenzó hace relativamente poco tiempo y actualmente no existe una teoría coherente para la gama indicada de ondas elásticas. La tarea de estudiar los infrasonidos se complica por las peculiaridades de su impacto en los aparatos y organismos vivos. Entonces, órganos internos Los seres humanos tienen sus propias frecuencias de vibración (frecuencias de resonancia) que van de 6 a 8 Hz, por lo que la exposición a vibraciones infrasónicas de amplitud suficiente puede provocar sensaciones desagradables e incluso dolorosas. Por tanto, una de las tareas de la investigación de infrasonidos está relacionada con determinar el grado de influencia de las vibraciones de baja frecuencia sobre el sistema nervioso, sistema cardiovascular persona, sobre su desempeño.

El ultrasonido se utiliza para limpiar eficazmente superficies, piezas y componentes mecánicos de diversos contaminantes, rastros de corrosión, etc. Así, con la ayuda de instalaciones ultrasónicas, las piezas se limpian de aceite, restos de incrustaciones, se limpia el fondo del barco y, además, una instalación ultrasónica protectora evita la contaminación del fondo de un barco por diversos organismos vivos y vegetales marinos. , preservando así las cualidades operativas del barco. Con la ayuda de ultrasonidos, limpian el aire de la contaminación, precipitando partículas de impurezas, utilizan ultrasonidos para combatir la niebla, etc.

El ultrasonido también se utiliza ampliamente para acelerar una serie de procesos tecnológicos, donde el uso de otros métodos es difícil. Por ejemplo, al soldar láminas o alambres finos, es el ultrasonido el que permite obtener conexiones de alta calidad. Te contaré más sobre todo esto en la parte principal del proyecto.

Objetivo del proyecto:

Familiarizarse con los conceptos de ultrasonido e infrasonido. Recuerde dónde se utilizan. Descubra el efecto del sonido ultra e infrarrojo en el cuerpo humano.

Objetivos del proyecto:

1. Estudie el material sobre el tema "La influencia de los ultrasonidos y los infrasonidos en el cuerpo humano".

2. Ser capaz de aplicar el material estudiado en la vida.

Ultrasonido e infrasonido en la vida humana.

La influencia del ultrasonido.

Los ultrasonidos son ondas sonoras que tienen una frecuencia superior a las percibidas por el oído humano; por lo general, ultrasonido significa frecuencias superiores a 20.000 Hertz.

La sensación específica que percibimos como sonido es el resultado de un efecto en el sistema auditivo humano. movimiento oscilatorio medio elástico, más a menudo aire. Sin embargo, no todas las vibraciones del medio que llegan al oído provocan la sensación de sonido. El límite inferior del sonido audible son vibraciones con una frecuencia de 20 vibraciones por segundo (20 Hz), el límite superior se encuentra entre 16.000 y 20.000 Hz. La posición de estos límites está sujeta a cambios individuales.

Campo de aplicación de la ecografía.

Fuera del rango de frecuencia especificado, también existen procesos oscilatorios que no se diferencian físicamente de las vibraciones y ondas sonoras, pero que el oído no percibe como sonidos. Fluctuaciones del medio con frecuencias superiores. limite superior La audición, del orden de decenas y cientos de miles de hercios, suele denominarse ultrasonidos.

En los últimos años, la ecografía ha encontrado una amplia aplicación en economía nacional, biología y medicina. En EE.UU., por ejemplo, existen actualmente millones de instalaciones de ultrasonidos.

La industria utiliza ultrasonidos, cuya frecuencia es miles de millones de veces mayor que la intensidad de los sonidos audibles que nos rodean. Los ultrasonidos pueden enfocarse y crear una presión local muy alta. El ultrasonido puede triturar sustancias y acelerar reacciones químicas. El ultrasonido es capaz de introducir agua en los coloides. Con la ayuda de ultrasonidos se aceleran significativamente los procesos de curtido del cuero, teñido, blanqueo y lavado de tejidos, producción de fibras sintéticas, sucedáneos del cuero y plásticos. El ultrasonido se utiliza para la detección de defectos, lo que permite determinar defectos internos en piezas, para limpiar calderas de incrustaciones, superficies submarinas de barcos, para estañar con aluminio, platear, etc. El ultrasonido ha encontrado aplicación en la producción de altos hornos, en transporte de agua, en pesca y geología.

El ultrasonido se utiliza en medicina con fines de diagnóstico (detección de cuerpos extraños), en odontología (fresas), para la producción de emulsiones de sustancias medicinales, etc.

Actualmente, la ecografía de baja intensidad se utiliza mucho con fines terapéuticos.

El ultrasonido tiene un efecto complejo y pronunciado. efecto biológico, cuya esencia aún no se ha aclarado suficientemente. Esta acción parece depender principalmente de las enormes presiones locales creadas en los tejidos y de las presiones locales. efecto térmico asociado con la absorción de energía durante la amortiguación de vibraciones. Los líquidos y los gases absorben los ultrasonidos, mientras que los sólidos los conducen bien. Los huesos también son buenos conductores de los ultrasonidos.

Las tres áreas principales de aplicación de la ecografía en medicina son el diagnóstico por ecografía, el “bisturí ultrasónico” y la fisioterapia con ultrasonido. Comencemos la historia con los dos últimos.

El “bisturí ultrasónico” se utiliza principalmente cuando es necesaria una exposición precisa y limitada, donde cada milímetro adicional de tejido destruido puede causar consecuencias severas, como por ejemplo en el tratamiento quirúrgico de enfermedades oculares, cirugía plástica facial, etc. El enfoque del ultrasonido en un área pequeña y específica permite influir en las estructuras más profundas del cuerpo. Esto es especialmente importante cuando se realizan operaciones neuroquirúrgicas en el cerebro, durante operaciones para destruir las vías accesorias del corazón. A medida que aumenta la frecuencia del ultrasonido, su efecto se vuelve extremadamente localizado. Por ejemplo, con una frecuencia de 4 MHz se puede destruir una zona de tejido con un volumen de sólo 0,05 mm3, mientras que el tejido circundante permanece intacto.

Para el tratamiento de enfermedades oculares, los médicos utilizaron por primera vez la ecografía en el Instituto de Investigación de Enfermedades Oculares y Terapia de Tejidos de Odessa que lleva su nombre. V. P. Filatov, conocido por el desarrollo de una serie de nuevos métodos para tratar opacidades corneales, cataratas de origen traumático, desprendimiento de retina, etc. También se utilizó ultrasonido de baja frecuencia con una frecuencia de 20-40 kHz para expandir el canal lagrimal. como durante las operaciones en la córnea.

La cirugía de cataratas (opacidad del cristalino) generalmente se realiza solo después de que ha madurado, cuando la visión ya se ha perdido por completo. En condiciones naturales, este proceso a veces dura años. El “sondeo” con ultrasonido lo acelera hasta varios minutos, lo que permite realizar la operación en menos tiempo. fechas tempranas y con Mejores resultados. Para realizar esta operación se desarrolló un original instrumento ultrasónico en forma de una aguja hueca de 1 mm de espesor, encerrada en una fina funda de silicona y conectada a un generador de ultrasonidos. Al observar el movimiento de la aguja a través de un microscopio, el cirujano la acerca a la lente y activa el ultrasonido. Bajo la influencia del ultrasonido, después de unos momentos el cristalino nublado se licua. El líquido resultante se lava de la cápsula con una solución desinfectante que entra a través del espacio entre la aguja y su estuche y se succiona a través del canal interno de la aguja. El período postoperatorio después de dicha operación se reduce significativamente.

Se utilizó ultrasonido enfocado para retrasar un desprendimiento de retina potencialmente ciego. Su acción dirigida en varios puntos fija la retina a los tejidos subyacentes. En muchos casos, la ecografía ayuda a evitar la cirugía por glaucoma. El síntoma principal de esta enfermedad es el aumento de la presión intraocular. La esclerótica del ojo se "sondea" mediante ultrasonido en varios puntos, después de lo cual la presión intraocular disminuye. De acuerdo a doctores americanos, este método es eficaz en el 80% de los casos.

El efecto destructivo de la ecografía también se utiliza para eliminar coágulos de sangre de grandes vasos. A través de un orificio realizado con una aguja especial, el cirujano inserta una delgada guía de ondas ultrasónica en el vaso y la mueve con cuidado hacia el coágulo de sangre. Después de 10 a 12 segundos de "sondeo", el trombo deja de existir y el contenido líquido resultante se elimina por lavado de la luz del vaso y se succiona a través de la misma aguja. Se retira la herramienta y se “sella” el orificio con una soldadura ultrasónica.

El ultrasonido también se utiliza en el tratamiento quirúrgico de enfermedades del oído, la nariz y la garganta. Las operaciones para eliminar el tejido inflamado de la mucosa nasal crónicamente inflamada y para corregir un tabique nasal desviado se realizan en la mayoría de los casos con bisturí, cincel y martillo. Posteriormente desarrollaron equipos de ultrasonido para esta operación. El instrumento de ultrasonido permitió realizarlo sin sangre, casi sin dolor y, además, muchas veces más rápido. El mismo grupo de médicos rusos desarrolló un bisturí ultrasónico para realizar traqueotomía (corte de la tráquea). Esta operación generalmente se realiza por razones de salud, en caso de asfixia repentina. Aquí cada momento es precioso y el uso de la ecografía puede ahorrar hasta 10 minutos.

Según muchos médicos, el método de ultrasonido sin duda amplía las posibilidades. Tratamiento quirúrgico pacientes con diversas patologías de los pulmones y la pleura. Los médicos realizan una cirugía de tórax mediante ultrasonido. Un instrumento ultrasónico corta y conecta el esternón, las costillas, los bronquios y las arterias estrechadas de Bougiens. Se están poniendo en práctica guías de ondas ultrasónicas largas y flexibles para manipulaciones en la tráquea y los bronquios, desarrolladas por primera vez en el mundo por un grupo de científicos soviéticos. Realizado Estudios experimentales conectando el tejido de la bandeja y cerrando el muñón bronquial mediante ultrasonido.

Los científicos han desarrollado y aplicado un método de corte y unión ultrasónico tejido óseo mediante soldadura ultrasónica, primero en numerosos experimentos con animales y luego en la clínica. Para cortar un hueso con una sierra normal, es necesario pelar el tejido blando en un área bastante grande, pero para una sierra ultrasónica es suficiente un agujero en el tejido blando con un diámetro de 1 cm. Esto es de particular importancia. durante craneotomía, resección costal, etc.

El método de revestimiento ultrasónico del tejido óseo consiste en el hecho de que la cavidad formada en el hueso después de la eliminación del foco patológico se llena con virutas de hueso, que se impregnan con un material de relleno especial y se "sondean" con ultrasonido. Después de "sondear", toda esta masa se convierte en un conglomerado, firmemente adherido al hueso. El ultrasonido también se utiliza para conectar tejidos del hígado, el bazo y las glándulas endocrinas.

Desde hace muchos años, los aparatos ultrasónicos se utilizan en odontología para eliminar el sarro, y en los últimos años, también para tratar la caries y sus complicaciones. Se coloca un abrasivo (polvo de óxido de aluminio, boro, etc. suspendido en agua) entre el extremo de trabajo del vibrador ultrasónico y el diente. Las partículas abrasivas, al golpear el tejido dental, se eliminan gradualmente capa por capa. La cavidad resultante reproduce la forma del extremo del vibrador. Sus paredes están suavemente pulidas. La calidad del relleno también es mejor, ya que bajo la influencia del "sonido" la estructura cambia y aumenta la densidad del material de relleno. El tratamiento dental con ultrasonido es silencioso. La generación de calor y, por tanto, el calentamiento del diente, es menor que al perforar con una fresa giratoria. Por lo tanto, el dolor en la mayoría de los pacientes está ausente o es mínimo. EN en este caso Esta indudable ventaja de la ecografía se convierte en su desventaja. Con el tratamiento ecográfico de la pulpitis prácticamente indoloro, al médico le resulta difícil determinar el momento de aproximación al nervio. Por lo tanto, los taladros ultrasónicos sólo pueden ser utilizados por especialistas experimentados.

La acción aplastante del ultrasonido también se puede utilizar para destruir cálculos ureterales. La herramienta ultrasónica tritura la piedra en 5 a 60 segundos, dependiendo del tamaño y la densidad de la piedra.

Un bisturí ultrasónico no se parece ni en apariencia ni en principio de funcionamiento a uno quirúrgico. Exteriormente, parece un cohete en miniatura de dos etapas que cabe fácilmente en la mano. Su primera etapa contiene un vibrador ultrasónico, cuya acción se basa en el principio de magnetoestricción (de la palabra latina "strictio" - compresión).

La esencia del fenómeno de la magnetoestricción es que algunos metales, cuando se exponen a un campo magnético, cambian sus dimensiones geométricas. Si se enrolla un cable de cobre alrededor de una varilla hecha de dicho material ferromagnético y se pasa a través de ella una corriente alterna con una frecuencia correspondiente a las frecuencias de ultrasonido, entonces la varilla cambiará sus dimensiones a la misma frecuencia. Dado que la amplitud de los cambios en el tamaño del vibrador es muy pequeña, se diseña un concentrador de ultrasonido (la segunda etapa del "cohete") para amplificarlo. El concentrador se estrecha desde la base hasta la parte superior, cuyo rango de vibraciones es decenas de veces mayor que el de la base, que cambia de posición junto con el vibrador. La amplitud de oscilación de la parte superior del concentrador alcanza 50-60 micrones y la frecuencia es 25-50 kHz. Un bisturí ultrasónico funciona como una microsierra afilada. Gracias a la energía de las vibraciones ultrasónicas, separa el tejido en los límites de contacto de las membranas celulares, casi sin dañar las propias células, lo que contribuye a una curación mejor y más rápida. Al girar ligeramente el instrumento y cambiar así la dirección del haz de ultrasonido, se puede cambiar la dirección de la incisión sin ampliar el abordaje quirúrgico. Al cortar tejido, la ecografía detiene el sangrado capilar. También es importante que el uso de ultrasonido reduzca significativamente el dolor de la intervención quirúrgica.

La tecnología de ultrasonido quirúrgico ahora es parte del arsenal medicina practica. Se utiliza junto con instrumentos quirúrgicos tradicionales, electrocoagulación, láser y otros métodos, teniendo en cuenta las características de la enfermedad, indicaciones y contraindicaciones. A medida que mejore y aumente la producción de equipos de ultrasonido para intervenciones quirúrgicas, se ampliará su implementación en la práctica.

Los fenómenos físicos que surgen cuando los ultrasonidos influyen en los líquidos fueron la base nueva técnica Tratamiento de heridas desarrollado por científicos rusos. Se inyectan en la herida soluciones de antibióticos o antisépticos, que se "sondean" mediante una guía de ondas ultrasónica. El líquido sonoro elimina el tejido muerto, masajea la superficie de la herida y mejora la circulación sanguínea. También mejora la difusión de sustancias medicinales, se reduce el dolor durante el vendaje y se reduce la contaminación bacteriana de la herida, lo que contribuye a una curación más rápida y suave. El tiempo de tratamiento de estos pacientes en el hospital se reduce notablemente.

Un área separada de aplicación de la ecografía en medicina es la fisioterapia con ultrasonido.

El mecanismo del efecto fisiológico de la ecografía terapéutica sobre los tejidos de un organismo vivo aún no se ha dilucidado por completo. Se acostumbra distinguir tres factores principales de la influencia del ultrasonido: mecánico, térmico y fisicoquímico. El efecto mecánico consiste en un micromasaje vibratorio de los tejidos a nivel celular y subcelular, aumentando la permeabilidad de las membranas celulares y el metabolismo en las células y tejidos del cuerpo. Efecto térmico El ultrasonido en sus bajas intensidades utilizado con fines terapéuticos es insignificante. El calor puede acumularse principalmente en los tejidos que más absorben la energía ultrasónica (nerviosos, óseos), así como en los límites de ambientes con diferente resistencia acústica (en los límites de los huesos y los tejidos blandos) y en lugares con circulación sanguínea insuficiente.

El efecto fisicoquímico del ultrasonido se debe principalmente a que el uso de energía acústica provoca resonancia mecánica en la sustancia de los tejidos vivos. Al mismo tiempo, el movimiento de las moléculas se acelera, aumenta su desintegración en iones, cambia el estado eléctrico de las células y el líquido pericelular, se forman nuevos campos eléctricos y se produce la difusión a través de membranas biológicas, los procesos metabólicos se activan,

Cuando la piel se expone a los ultrasonidos, mejora su función barrera protectora, aumenta la actividad de las glándulas sudoríparas y sebáceas y se activan los procesos de regeneración. Curiosamente, la sensibilidad de la piel. Varias áreas El cuerpo a la ecografía no es lo mismo: en la zona de la cara y el abdomen es más alto que en la zona de las extremidades.

Cuando se expone a ultrasonidos sobre el sistema nervioso con una potencia de 0,5 W/cm2. la velocidad de excitación a lo largo de las fibras nerviosas aumenta y, a mayor intensidad, 1 W/cm2. - disminuye. El ultrasonido de intensidad moderada tiene un efecto antiespasmódico: alivia los espasmos de los bronquios, la bilis y el tracto urinario, los intestinos y aumenta la micción. Bajo su influencia, se normaliza el tono vascular, mejora el suministro de sangre a los tejidos y aumenta su absorción de oxígeno.

El ultrasonido se usa para tratar la amigdalitis crónica. Las amígdalas afectadas se "sondean" con ultrasonido de baja intensidad, por lo que se reduce la actividad de los microorganismos patógenos, se mejora la nutrición de los tejidos y se activan los procesos inmunobiológicos. Como resultado, este tratamiento ambulatorio ayuda a preservar las amígdalas, que desempeñan un papel importante en reacciones defensivas cuerpo. Los médicos de Rostov han desarrollado un método original de masaje ocular con ultrasonidos. Después de la instilación del fármaco anestésico, se coloca un marco anular en el ojo del paciente y se activa la ecografía. Después de una docena de sesiones de este tipo de masaje ultrasónico en pacientes con forma inicial glaucoma, la presión intraocular se normaliza.

En ginecología, la ecografía se utiliza para tratar la erosión cervical. Después de sólo dos o tres procedimientos de ultrasonido, realizados con un intervalo de 1 a 2 días, la erosión comenzó a sanar y después de un mes en la mayoría de los pacientes desapareció por completo.

Una de las especializaciones de la terapia con ultrasonido es el tratamiento del adenoma de próstata. Esta enfermedad afecta principalmente a hombres mayores. El tratamiento en la mayoría de los casos es quirúrgico. El uso de la terapia con ultrasonido para el adenoma de próstata y la prostatitis proporciona buen resultado: después de varios procedimientos, el dolor de los pacientes desapareció casi por completo, la micción se volvió normal y su estado general mejoró. El “sondeo” realizado después de la cirugía para extirpar la glándula contribuye a un mejor curso del postoperatorio.

La terapia con ultrasonido se usa más ampliamente para la osteocondrosis, artrosis, radiculitis y otras enfermedades del sistema nervioso periférico y del sistema musculoesquelético.

El tratamiento con ultrasonido no se recomienda para enfermedades infecciosas agudas, angina de pecho, aneurisma cardíaco, hipertensión en estadios II B y III, enfermedades de la sangre, tendencia a sangrar y también durante el embarazo. Anteriormente, también se consideraba una contraindicación la presencia de tumores malignos. Pero en Últimamente Se está estudiando la cuestión del uso de la terapia con ultrasonido para su tratamiento, tanto por separado como en combinación con radioterapia.

A veces, la ecografía se utiliza en combinación con diversas sustancias medicinales. Este método se llama fonoforesis, aunque sería más correcto llamarlo ultrafonoforesis. El método se basa en aumentar la permeabilidad de la piel, las mucosas, las membranas celulares y mejorar la microcirculación local bajo la influencia de la ecografía. Todo esto ayuda a la introducción de una serie de sustancias medicinales a través de la piel y las membranas mucosas.

Actualmente se utiliza la fonoforesis de muchos fármacos, como hidrocortisona, analgin, aminazina, interferón, complamin, heparina, extracto de aloe, FiBS, varios antibióticos, etc. Sin embargo, se ha descubierto que algunos fármacos, por ejemplo, aminofilina, ácido ascórbico, tiamina (vitamina B1) y otros, cuando son "sondeados" por ultrasonido, no penetran en el cuerpo o se destruyen. A veces, durante la fonoforesis, primero se examina la piel o la membrana mucosa con ultrasonido y luego, después de retirar el medio de contacto, se aplica una sustancia medicinal en forma de loción o ungüento. Pero más a menudo el procedimiento se realiza de la misma forma que la irradiación ultrasónica convencional. Las sustancias medicinales se aplican primero a la superficie de la piel o las membranas mucosas en forma solución acuosa, emulsiones o ungüentos. También sirven como medio de contacto durante la puntuación. Con la fonoforesis, así como con el "sondeo" sin el uso de fármacos, se utilizan dos técnicas: estable y lábil. Con el primero, el vibrador permanece inmóvil durante el procedimiento, con el segundo, se mueve lentamente sobre la superficie de la piel o mucosas.

En los últimos años se han estudiado las posibilidades de utilización de la ultrafonopuntura, la ecografía focalizada, la ecografía biocontrolada y la biosincronizada. El alcance de la terapia con ultrasonido continúa ampliándose.

Ultrasonido - vibraciones mecánicas, ubicado por encima del rango de frecuencia audible para el oído humano (generalmente 20 kHz). Las vibraciones ultrasónicas viajan en formas de ondas, similares a la propagación de la luz. Sin embargo, a diferencia de las ondas de luz, que pueden viajar en el vacío, los ultrasonidos requieren un medio elástico como un gas, líquido o sólido.

, (3)

Para ondas transversales está determinado por la fórmula.

Dispersión del sonido- adiccion velocidad de fase monocromo ondas sonoras en su frecuencia. La dispersión de la velocidad del sonido se puede determinar como propiedades físicas medio ambiente, y la presencia de inclusiones extrañas en él y la presencia de límites del cuerpo en el que se propaga la onda sonora.

Tipos de ondas ultrasónicas

La mayoría de las técnicas de ultrasonido utilizan ondas longitudinales o de corte. También existen otras formas de propagación de ultrasonidos, incluidas las ondas superficiales y las ondas de Lamb.

Ondas ultrasónicas longitudinales– ondas, cuya dirección de propagación coincide con la dirección de los desplazamientos y velocidades de las partículas del medio.

Ondas ultrasónicas transversales.– ondas que se propagan en dirección perpendicular al plano en el que se encuentran las direcciones de los desplazamientos y las velocidades de las partículas del cuerpo, al igual que las ondas de corte.

Ondas ultrasónicas de superficie (Rayleigh) Tienen movimiento de partículas elíptico y se extienden sobre la superficie del material. Su velocidad es aproximadamente el 90% de la velocidad de propagación de la onda de corte y su penetración en el material es igual a aproximadamente una longitud de onda.

Ola de cordero- una onda elástica que se propaga en una placa (capa) sólida con límites libres, en la que el desplazamiento oscilatorio de partículas se produce tanto en la dirección de propagación de la onda como perpendicular al plano de la placa. Las ondas de cordero son uno de los tipos de ondas normales en una guía de ondas elástica, en una placa con límites libres. Porque estas ondas deben satisfacer no sólo las ecuaciones de la teoría de la elasticidad, sino también las condiciones de contorno en la superficie de la placa; el patrón de movimiento en ellas y sus propiedades son más complejas que las de las ondas en sólidos ilimitados.

Visualización de ondas ultrasónicas.

Para una onda viajera plana sinusoidal, la intensidad del ultrasonido I está determinada por la fórmula

, (5)

EN onda viajera esférica La intensidad del ultrasonido es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la fuente. EN onda estacionaria I = 0, es decir, en promedio no hay flujo de energía sonora. Intensidad del ultrasonido en onda viajera plana armónica igual a la densidad de energía de la onda sonora multiplicada por la velocidad del sonido. El flujo de energía sonora se caracteriza por el llamado vector de umov- vector de densidad de flujo de energía de la onda sonora, que se puede representar como el producto de la intensidad del ultrasonido y el vector normal de la onda, es decir vector unitario, perpendicular al frente de onda. Si el campo sonoro es una superposición ondas armónicas diferentes frecuencias, entonces para el vector de la densidad de flujo de energía sonora promedio existe aditividad de los componentes.

Para los emisores que crean una onda plana, se habla de intensidad de radiación, es decir con esto densidad de potencia del emisor, es decir, la potencia sonora radiada por unidad de superficie de la superficie radiante.

La intensidad del sonido se mide en unidades SI en W/m2. En la tecnología ultrasónica, el rango de cambios en la intensidad del ultrasonido es muy grande: desde valores umbral de ~ 10 -12 W/m2 hasta cientos de kW/m2 en el foco de los concentradores ultrasónicos.

Tabla 1 - Propiedades de algunos materiales comunes

atenuación del ultrasonido

Una de las principales características de los ultrasonidos es su atenuación. atenuación del ultrasonido Es una disminución de la amplitud y, por tanto, de una onda sonora a medida que se propaga. La atenuación del ultrasonido se produce por varias razones. Los principales son:

La primera de estas razones se debe a que a medida que una onda se propaga desde una fuente puntual o esférica, la energía emitida por la fuente se distribuye sobre una superficie cada vez mayor del frente de onda y, en consecuencia, la energía fluye a través de una unidad. la superficie disminuye, es decir . Para una onda esférica, superficie de onda que aumenta con la distancia r de la fuente como r 2 , la amplitud de la onda disminuye en proporción a , y para onda cilíndrica- proporcionalmente.

El coeficiente de atenuación se expresa en decibeles por metro (dB/m) o en decibeles por metro (Np/m).

Para una onda plana, el coeficiente de atenuación de amplitud con la distancia está determinado por la fórmula

, (6)

Se determina el coeficiente de atenuación frente al tiempo.

, (7)

La unidad dB/m también se utiliza para medir el coeficiente, en este caso

, (8)

Decibelio (dB) – unidad logarítmica Mediciones de relaciones de energía o potencia en acústica.

, (9)

• donde A 1 es la amplitud de la primera señal,
• A 2 – amplitud de la segunda señal

Entonces la relación entre las unidades de medida (dB/m) y (1/m) será:

Reflexión del ultrasonido desde la interfaz.

Cuando una onda de sonido cae sobre la interfaz, parte de la energía se reflejará en el primer medio y el resto de la energía pasará al segundo medio. La relación entre la energía reflejada y la energía que pasa al segundo medio está determinada por las impedancias de onda del primer y segundo medio. En ausencia de dispersión de la velocidad del sonido. impedancia característica no depende de la forma de onda y se expresa mediante la fórmula:

Los coeficientes de reflexión y transmisión se determinarán de la siguiente manera

, (12)

, (13)

• donde D es el coeficiente de transmisión de la presión sonora

También vale la pena señalar que si el segundo medio es acústicamente "más suave", es decir Z 1 >Z 2, luego, tras la reflexión, la fase de la onda cambia 180˚.

El coeficiente de transmisión de energía de un medio a otro está determinado por la relación entre la intensidad de la onda que pasa al segundo medio y la intensidad de la onda incidente.

, (14)

Interferencia y difracción de ondas ultrasónicas.

Interferencia de sonido- distribución espacial desigual de la amplitud de la onda sonora resultante dependiendo de la relación entre las fases de las ondas que se desarrollan en un punto u otro del espacio. Cuando se agregan ondas armónicas de la misma frecuencia, la distribución espacial resultante de amplitudes forma un patrón de interferencia independiente del tiempo, que corresponde a un cambio en la diferencia de fase de las ondas componentes cuando se mueven de un punto a otro. Para dos ondas de interferencia, este patrón en un plano tiene la forma de bandas alternas de amplificación y atenuación de la amplitud de un valor que caracteriza el campo sonoro (por ejemplo, la presión sonora). Para dos ondas planas, las franjas son rectilíneas con una amplitud que varía a lo largo de las franjas según el cambio en la diferencia de fase. Un caso especial importante de interferencia es la adición de una onda plana con su reflexión desde un límite plano; esto crea onda estacionaria con planos de nodos y antinodos ubicados paralelos al límite.

difracción de sonido- desviación del comportamiento del sonido de las leyes de la acústica geométrica, debido a la naturaleza ondulatoria del sonido. El resultado de la difracción del sonido es la divergencia de los haces ultrasónicos al alejarse del emisor o después de pasar a través de un agujero en la pantalla, la curvatura de las ondas sonoras hacia la región de sombra detrás de obstáculos grandes en comparación con la longitud de onda, la ausencia de sombra detrás obstáculos pequeños en comparación con la longitud de onda, etc. n. Los campos de sonido creados por la difracción de la onda original sobre obstáculos colocados en el medio, sobre las faltas de homogeneidad del propio medio, así como sobre las irregularidades y faltas de homogeneidad de los límites del medio, se denominan. campos dispersos. Para objetos en los que se produce una difracción de sonido que es grande en comparación con la longitud de onda, el grado de desviación del patrón geométrico depende del valor del parámetro de onda.

, (15)

• donde D es el diámetro del objeto (por ejemplo, el diámetro de un emisor ultrasónico u obstáculo),
• r - distancia del punto de observación desde este objeto

Emisores de ultrasonidos

Emisores de ultrasonidos- dispositivos utilizados para excitar vibraciones y ondas ultrasónicas en medios gaseosos, líquidos y medios sólidos. Los emisores de ultrasonidos convierten energía de algún otro tipo en energía.

Los emisores de ultrasonidos más utilizados son transductores electroacústicos. En la gran mayoría de emisores de ultrasonidos de este tipo, concretamente en transductores piezoeléctricos , convertidores magnetostrictivos, emisores electrodinámicos, emisores electromagnéticos y electrostáticos, la energía eléctrica se convierte en energía de vibración de cualquier sólido(placa emisora, varilla, diafragma, etc.), que emite en ambiente ondas acústicas. Todos los convertidores enumerados son, por regla general, lineales y, por lo tanto, las oscilaciones del sistema radiante reproducen la señal eléctrica excitante en forma; Sólo con amplitudes de oscilación muy grandes, cerca del límite superior del rango dinámico del emisor de ultrasonidos, pueden aparecer distorsiones no lineales.

Los convertidores diseñados para emitir ondas monocromáticas aprovechan el fenómeno resonancia: funcionan con una de las oscilaciones naturales de un sistema oscilatorio mecánico, a cuya frecuencia está sintonizado el generador vibraciones electricas, emocionante conversor. Los transductores electroacústicos que no tienen un sistema de radiación de estado sólido se utilizan relativamente raramente como emisores de ultrasonidos; Estos incluyen, por ejemplo, emisores de ultrasonidos basados ​​en descarga eléctrica en un líquido o en la electroestricción de un líquido.

Características del emisor de ultrasonidos.

Las principales características de los emisores de ultrasonidos incluyen su espectro de frecuencia, emitido potencia de sonido, directividad de la radiación. En el caso de la radiación monofrecuencia, las principales características son frecuencia de operación emisor de ultrasonidos y su banda de frecuencia, cuyos límites están determinados por una caída de la potencia radiada a la mitad en comparación con su valor a la frecuencia de radiación máxima. Para transductores electroacústicos resonantes, la frecuencia de funcionamiento es frecuencia natural convertidor f 0, y El ancho de la líneaΔf está determinada por su factor de calidad P.

Los emisores de ultrasonido (transductores electroacústicos) se caracterizan por su sensibilidad, eficiencia electroacústica y su propia impedancia eléctrica.

Sensibilidad del emisor de ultrasonidos- la relación entre la presión sonora en la característica direccional máxima a una cierta distancia del emisor (con mayor frecuencia a una distancia de 1 m) a voltaje electrico sobre él o a la corriente que fluye en él. Esta característica se aplica a los emisores ultrasónicos utilizados en sistemas de alarma de audio, sonares y otros dispositivos similares. Para los emisores con fines tecnológicos, utilizados, por ejemplo, en limpieza ultrasónica, coagulación e influencia en procesos químicos, la característica principal es la potencia. Además de la potencia radiada total, estimada en W, los emisores de ultrasonidos se caracterizan por poder específico, es decir, la potencia media por unidad de superficie de la superficie emisora, o la intensidad media de la radiación en el campo cercano, estimada en W/m2.

La eficiencia de los transductores electroacústicos que emiten energía acústica al entorno sonoro se caracteriza por su magnitud. eficiencia electroacústica, que es la relación entre la potencia acústica emitida y la energía eléctrica gastada. En acústicaelectrónica, para evaluar la eficiencia de los emisores de ultrasonidos, se utiliza el llamado coeficiente de pérdida eléctrica, igual a la relación (en dB) entre la potencia eléctrica y la potencia acústica. La eficiencia de las herramientas ultrasónicas utilizadas en soldadura, mecanizado y similares por ultrasonidos se caracteriza por el llamado coeficiente de eficiencia, que es la relación entre el cuadrado de la amplitud del desplazamiento oscilatorio en el extremo de trabajo del concentrador y la energía eléctrica consumida. por el transductor. A veces se utiliza el coeficiente de acoplamiento electromecánico efectivo para caracterizar la conversión de energía en emisores de ultrasonido.

Campo de sonido del emisor

El campo sonoro del transductor se divide en dos zonas: zona cercana y zona lejana. Zona cercana esta es el área directamente frente al transductor donde la amplitud del eco pasa por una serie de máximos y mínimos. La zona cercana termina en el último máximo, que se encuentra a una distancia N del convertidor. Se sabe que la ubicación del último máximo es el foco natural del transductor. zona lejana Esta es el área más allá de N, donde la presión del campo sonoro disminuye gradualmente hasta cero.

La posición del último máximo N en el eje acústico, a su vez, depende del diámetro y la longitud de onda y para un emisor de disco circular se expresa mediante la fórmula

, (17)

Sin embargo, dado que D suele ser mucho mayor, la ecuación se puede simplificar a la forma

Las características del campo sonoro están determinadas por el diseño del transductor ultrasónico. En consecuencia, la propagación del sonido en la zona de estudio y la sensibilidad del sensor dependen de su forma.

Aplicaciones de ultrasonido

Las diversas aplicaciones del ultrasonido, en las que se utilizan sus diversas funciones, se pueden dividir en tres áreas. está asociado con la obtención de información a través de ondas ultrasónicas, con una influencia activa sobre la materia y con el procesamiento y transmisión de señales (las direcciones se enumeran en el orden de su formación histórica). Para cada aplicación específica se utilizan ultrasonidos de un determinado rango de frecuencia.

Las frecuencias de 16 Hz-20 kHz, que el audífono humano puede percibir, suelen denominarse sonoras o acústicas, por ejemplo, el chirrido de un mosquito “10 kHz”. Pero el aire, las profundidades de los mares y las entrañas de la tierra están llenos de sonidos que se encuentran fuera de este rango: infrarrojos y ultrasonidos. En la naturaleza, los ultrasonidos se encuentran como componente de muchos ruidos naturales, en el ruido del viento, las cascadas, la lluvia, los guijarros marinos arrastrados por las olas y en las descargas de rayos. Muchos mamíferos, como los gatos y los perros, tienen la capacidad de percibir ultrasonidos con una frecuencia de hasta 100 kHz, y todos conocen bien la capacidad de localización de los murciélagos, los insectos nocturnos y los animales marinos. La existencia de tales sonidos no se descubrió con el desarrollo de la acústica hasta finales del siglo XIX. Al mismo tiempo, comenzaron los primeros estudios sobre la ecografía, pero las bases de su aplicación no se sentaron hasta el primer tercio del siglo XX.

¿Qué es el ultrasonido?

Las ondas ultrasónicas (sonido inaudible) por su naturaleza no se diferencian de las ondas en el rango audible y obedecen las mismas leyes físicas. Pero el ultrasonido tiene características específicas que han determinado su uso generalizado en ciencia y tecnología.

Aquí están los principales:

• Longitud de onda corta. Para el rango ultrasónico más bajo, la longitud de onda no supera varios centímetros en la mayoría de los medios. La longitud de onda corta determina la naturaleza del rayo de propagación de las ondas ultrasónicas. Cerca del emisor, el ultrasonido se propaga en forma de haces, de tamaño similar al tamaño del emisor. Cuando el haz ultrasónico encuentra faltas de homogeneidad en el medio, se comporta como un haz de luz experimentando reflexión, refracción y dispersión, lo que permite formar imágenes sonoras en medios ópticamente opacos utilizando efectos puramente ópticos (enfoque, difracción, etc.).
• Un corto período de oscilación, que permite emitir ultrasonidos en forma de pulsos y realizar una selección temporal precisa de las señales que se propagan en el medio.
• Posibilidad de obtener valores altos de intensidad de oscilación a baja amplitud, porque la energía de vibración es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Esto permite crear haces y campos ultrasónicos con un alto nivel de energía, sin necesidad de equipos de gran tamaño.
• En el campo de los ultrasonidos se desarrollan importantes corrientes acústicas, por lo que el efecto de los ultrasonidos en el medio ambiente da lugar a efectos físicos, químicos, biológicos y médicos específicos, como cavitación, efecto capilar, dispersión, emulsificación, desgasificación, desinfección, calentamiento local y muchos otros. .

Historia de la ecografía

La atención a la acústica se debió a las necesidades de las armadas de las principales potencias: Inglaterra y Francia, porque. La acústica es el único tipo de señal que puede viajar lejos en el agua. En 1826, el científico francés Colladon determinó la velocidad del sonido en el agua. El experimento de Colladon se considera el nacimiento de la hidroacústica moderna. La campana submarina del lago Lemán fue golpeada con la ignición simultánea de pólvora. Colladon observó el destello de la pólvora a una distancia de 10 millas. También escuchó el sonido de la campana utilizando un tubo auditivo submarino. Al medir el intervalo de tiempo entre estos dos eventos, Colladon calculó la velocidad del sonido en 1435 m/seg. La diferencia con los cálculos modernos es de sólo 3 m/seg.

En 1838, en Estados Unidos, se utilizó por primera vez el sonido para determinar el perfil del fondo marino. La fuente del sonido, como en el experimento de Colladon, era una campana que sonaba bajo el agua y el receptor eran grandes tubos auditivos bajados por la borda. Los resultados del experimento fueron decepcionantes: el sonido de la campana, así como la explosión de los cartuchos de pólvora en el agua, dieron un eco demasiado débil, casi inaudible entre otros sonidos del mar. Era necesario ir a la región de frecuencias más altas, permitiendo la creación de haces de sonido dirigidos.

El primer generador de ultrasonidos fue fabricado en 1883 por el inglés Galton. El ultrasonido se creó de forma similar al sonido agudo que se produce en el filo de un cuchillo cuando lo golpea una corriente de aire. El papel de tal punto en el silbato de Galton lo desempeñaba un cilindro con bordes afilados. El aire (u otro gas), que salía bajo presión a través de una boquilla anular con un diámetro igual al borde del cilindro, chocó contra él y surgieron oscilaciones de alta frecuencia. Al hacer sonar el silbato con hidrógeno, fue posible obtener oscilaciones de hasta 170 kHz.

En 1880, Pierre y Jacques Curie hicieron un descubrimiento decisivo para la tecnología de ultrasonidos. Los hermanos Curie notaron que cuando se aplicaba presión a los cristales de cuarzo, se generaba una carga eléctrica que era directamente proporcional a la fuerza aplicada al cristal. Este fenómeno se llamó "piezoelectricidad" de la palabra griega que significa "presionar". También demostraron el efecto piezoeléctrico inverso, que se producía cuando se aplicaba al cristal un potencial eléctrico que cambiaba rápidamente, haciéndolo vibrar. A partir de ahora es técnicamente posible fabricar emisores y receptores de ultrasonidos de pequeño tamaño.

La muerte del Titanic por una colisión con un iceberg y la necesidad de combatir nuevas armas (submarinos) requirieron el rápido desarrollo de la hidroacústica ultrasónica. En 1914, el físico francés Paul Langevin, junto con el científico ruso que vivía en Suiza, Konstantin Shilovsky, desarrollaron por primera vez un sonar que constaba de un emisor de ultrasonidos y un hidrófono, un receptor de vibraciones ultrasónicas basado en el efecto piezoeléctrico. El sonar Langevin-Shilovsky fue el primer dispositivo ultrasónico utilizado en la práctica. También a principios de siglo, el científico ruso S.Ya Sokolov desarrolló los fundamentos de la detección de defectos por ultrasonidos en la industria. En 1937, el psiquiatra alemán Karl Dussick, junto con su hermano, el físico Friedrich, utilizaron por primera vez la ecografía para detectar tumores cerebrales, pero los resultados que obtuvieron resultaron poco fiables. En el diagnóstico médico, la ecografía comenzó a utilizarse recién en los años 50 del siglo XX en Estados Unidos.

Aplicaciones de ultrasonido

Las diversas aplicaciones de la ecografía se pueden dividir en tres áreas:

1. obtención de información mediante ultrasonido
2. influencia sobre una sustancia, siendo
3. procesamiento y transmisión de señales

La dependencia de la velocidad de propagación y atenuación de las ondas acústicas de las propiedades de la materia y los procesos que ocurren en ellas se utiliza para:

• control de reacciones químicas, transiciones de fase, polimerización, etc.
• determinación de las características de resistencia y composición de los materiales,
• determinar la presencia de impurezas,
• determinar el caudal de líquido y gas

Con la ayuda del ultrasonido, puede lavar ropa, ahuyentar roedores, usarla en medicina, verificar varios materiales en busca de defectos y cosas mucho más interesantes.