Application de l'échographie. Qu’est-ce que l’échographie et en quoi est-elle utile ?

Les fréquences de 16 à 18 000 Hz, que l'aide auditive humaine est capable de percevoir, sont généralement appelées fréquences sonores, par exemple le grincement d'un moustique »10 kHz. Mais l'air, les profondeurs des mers et les entrailles de la terre rempli de sons situés en dessous et au-dessus de cette plage - infra et ultrasons. Dans la nature, les ultrasons font partie de nombreux bruits naturels : dans le bruit du vent, des cascades, de la pluie, des cailloux roulés par les vagues et dans les orages. De nombreux mammifères, tels que les chats et les chiens, ont la capacité de percevoir des ultrasons d'une fréquence allant jusqu'à 100 kHz, et les capacités de localisation des chauves-souris, des insectes nocturnes et des animaux marins sont bien connues de tous. L'existence de sons inaudibles a été découverte avec le développement de l'acoustique à la fin du XIXème siècle. Parallèlement, les premières études sur l'échographie commencent, mais les bases de son utilisation ne sont posées que dans le premier tiers du XXe siècle.

La limite inférieure de la plage ultrasonique est appelée vibrations élastiques avec une fréquence de 18 kHz. La limite supérieure des ultrasons est déterminée par la nature des ondes élastiques, qui ne peuvent se propager qu'à condition que la longueur d'onde soit nettement supérieure au libre parcours des molécules (dans les gaz) ou aux distances interatomiques (dans les liquides et les gaz). Dans les gaz limite supérieure est »106 kHz, dans les liquides et solides »1010 kHz. En règle générale, les fréquences allant jusqu'à 106 kHz sont appelées ultrasons. Les fréquences plus élevées sont communément appelées hypersons.

Les ondes ultrasoniques, de par leur nature, ne diffèrent pas des ondes dans la plage audible et sont soumises aux mêmes lois physiques. Mais l'échographie a fonctionnalités spécifiques, ce qui a déterminé son utilisation généralisée dans la science et la technologie. Voici les principaux :

• Longueur d'onde courte. Pour la gamme ultrasonore la plus basse, la longueur d’onde ne dépasse pas plusieurs centimètres dans la plupart des milieux. La courte longueur d’onde détermine la nature des rayons de propagation des ondes ultrasonores. A proximité de l'émetteur, les ultrasons se propagent sous forme de faisceaux de taille similaire à celle de l'émetteur. Lorsqu'il rencontre des inhomogénéités du milieu, le faisceau ultrasonore se comporte comme un faisceau lumineux, subissant réflexion, réfraction et diffusion, ce qui permet de former des images sonores dans des milieux optiquement opaques à l'aide d'effets purement optiques (focalisation, diffraction, etc.)
• Une courte période d'oscillation, qui permet d'émettre des ultrasons sous forme d'impulsions et d'effectuer une sélection temporelle précise des signaux se propageant dans le milieu.
• Possibilité d'obtenir des valeurs élevées d'énergie vibratoire à faible amplitude, car l'énergie vibratoire est proportionnelle au carré de la fréquence. Cela permet de créer des faisceaux et des champs ultrasonores avec un niveau d'énergie élevé, sans nécessiter d'équipement de grande taille.
• Des courants acoustiques importants se développent dans le champ ultrasonore. Ainsi, l’impact des ultrasons sur l’environnement donne lieu à des effets spécifiques : physiques, chimiques, biologiques et médicaux. Tels que la cavitation, l'effet capillaire sonique, la dispersion, l'émulsification, le dégazage, la désinfection, le chauffage local et bien d'autres.
• L'échographie est inaudible et ne crée pas de gêne pour le personnel opérateur.

Histoire de l'échographie. Qui a découvert l’échographie ?

L'attention portée à l'acoustique a été motivée par les besoins marine grandes puissances - l'Angleterre et la France, parce que L'acoustique est le seul type de signal qui peut voyager loin dans l'eau. En 1826 Le scientifique français Colladon déterminé la vitesse du son dans l'eau. L'expérience de Colladon est considérée comme la naissance de l'hydroacoustique moderne. La cloche sous-marine du lac Léman a été frappée avec l'allumage simultané de la poudre à canon. L'éclair de la poudre à canon a été observé par Colladon à une distance de 10 milles. Il a également entendu le son de la cloche à l'aide d'un tube auditif sous-marin. En mesurant l'intervalle de temps entre ces deux événements, Colladon a calculé que la vitesse du son était de 1 435 m/sec. Différence avec informatique moderne seulement 3 m/s.

En 1838, aux États-Unis, le son fut utilisé pour la première fois pour déterminer le profil des fonds marins afin de poser un câble télégraphique. La source du son, comme dans l’expérience de Colladon, était une cloche sonnant sous l’eau, et le récepteur était constitué de grands tubes auditifs abaissés sur le côté du navire. Les résultats de l'expérience ont été décevants. Le son de la cloche (comme d'ailleurs l'explosion des cartouches de poudre dans l'eau) donnait un écho trop faible, presque inaudible parmi les autres bruits de la mer. Il fallait aller dans la région des fréquences plus élevées, permettant la création de faisceaux sonores dirigés.

Premier générateur d'ultrasons fabriqué en 1883 par un Anglais Francis Galton. L'échographie a été créée comme un sifflet sur le tranchant d'un couteau lorsque vous soufflez dessus. Le rôle d'une telle pointe dans le sifflet de Galton était joué par un cylindre aux arêtes vives. L'air ou un autre gaz sortant sous pression à travers une buse annulaire d'un diamètre identique à celui du bord du cylindre coulait sur le bord et des oscillations à haute fréquence se produisaient. En sifflant avec de l'hydrogène, il a été possible d'obtenir des oscillations allant jusqu'à 170 kHz.

En 1880 Pierre et Jacques Curie a fait une découverte décisive pour la technologie des ultrasons. Les frères Curie ont remarqué que lorsqu'on exerce une pression sur des cristaux de quartz, charge électrique, directement proportionnelle à la force appliquée au cristal. Ce phénomène a été appelé « piézoélectricité » depuis mot grec, signifiant "appuyer". De plus, ils ont démontré l’effet piézoélectrique inverse, qui se manifeste lorsqu’un changement rapide potentiel électrique appliqué sur un cristal, le faisant vibrer. Il est désormais techniquement possible de fabriquer des émetteurs et des récepteurs d'ultrasons de petite taille.

La mort du Titanic suite à une collision avec un iceberg, la nécessité de lutter contre de nouvelles armes - sous-marins a nécessité le développement rapide de l’hydroacoustique ultrasonore. En 1914, physicien français Paul Langevin En collaboration avec le talentueux scientifique émigré russe Konstantin Vasilyevich Shilovsky, ils ont d'abord développé un sonar composé d'un émetteur d'ultrasons et d'un hydrophone - un récepteur de vibrations ultrasoniques, basé sur l'effet piézoélectrique. Sonar Langevin - Shilovsky, fut le premier appareil à ultrasons, utilisé dans la pratique. Parallèlement, le scientifique russe S.Ya Sokolov a développé les bases de la détection de défauts par ultrasons dans l'industrie. En 1937, le psychiatre allemand Karl Dussick et son frère Friedrich, physicien, ont utilisé pour la première fois les ultrasons pour détecter les tumeurs cérébrales, mais les résultats obtenus se sont révélés peu fiables. DANS pratique médicale L'échographie n'a commencé à être utilisée que dans les années 50 du 20e siècle aux États-Unis.

Recevoir une échographie.

Les émetteurs d'ultrasons peuvent être divisés en deux grands groupes :

1) Les oscillations sont excitées par des obstacles sur le chemin d'un flux de gaz ou de liquide, ou par l'interruption d'un flux de gaz ou de liquide. Ils sont utilisés dans une mesure limitée, principalement pour obtenir des ultrasons puissants en milieu gazeux.

2) Les oscillations sont excitées par transformation en oscillations mécaniques de courant ou de tension. La plupart des appareils à ultrasons utilisent des émetteurs de ce groupe : transducteurs piézoélectriques et magnétostrictifs.

En plus des transducteurs basés sur l'effet piézoélectrique, des transducteurs magnétostrictifs sont utilisés pour produire un puissant faisceau ultrasonore. La magnétostriction est un changement de taille des corps lorsqu'ils changent état magnétique. Un noyau de matériau magnétostrictif placé dans un enroulement conducteur change de longueur en fonction de la forme du signal de courant traversant l'enroulement. Ce phénomène, découvert en 1842 par James Joule, est caractéristique des ferromagnétiques et des ferrites. Les matériaux magnétostrictifs les plus couramment utilisés sont les alliages à base de nickel, de cobalt, de fer et d'aluminium. L'intensité la plus élevée du rayonnement ultrasonore peut être obtenue grâce à l'alliage permendur (49 % Co, 2 % V, le reste Fe), qui est utilisé dans de puissants émetteurs ultrasoniques. En particulier, ceux produits par notre entreprise.

Application de l'échographie.

Les diverses applications des ultrasons peuvent être divisées en trois domaines :

• obtenir des informations sur une substance
• effet sur la substance
• traitement et transmission du signal

Dépendance de la vitesse de propagation et de l'atténuation ondes acoustiques sur les propriétés de la matière et les processus qui s'y déroulent, est utilisé dans les études suivantes :

• étude des processus moléculaires dans les gaz, les liquides et les polymères
• étude de la structure des cristaux et autres solides
• contrôle des réactions chimiques, transitions de phase, polymérisation, etc.
• détermination de la concentration de la solution
• détermination des caractéristiques de résistance et de la composition des matériaux
• détermination de la présence d'impuretés
• détermination du débit de liquide et de gaz

La mesure de la vitesse du son dans les solides permet de déterminer les caractéristiques élastiques et de résistance des matériaux de structure. Cette méthode indirecte de détermination de la résistance est pratique en raison de sa simplicité et de la possibilité d'utilisation dans conditions réelles.

Les analyseurs de gaz à ultrasons surveillent l'accumulation d'impuretés dangereuses. La dépendance de la vitesse des ultrasons à la température est utilisée pour la thermométrie sans contact des gaz et des liquides.

Les débitmètres à ultrasons fonctionnant par effet Doppler sont basés sur la mesure de la vitesse du son dans des liquides et des gaz en mouvement, y compris inhomogènes (émulsions, suspensions, pulpes). Un équipement similaire est utilisé pour déterminer la vitesse et le débit du sang dans les études cliniques.

Un grand groupe de méthodes de mesure est basé sur la réflexion et la diffusion des ondes ultrasonores aux frontières entre milieux. Ces méthodes permettent de déterminer avec précision l'emplacement des corps étrangers dans l'environnement et sont utilisées dans des domaines tels que :

• sonar
• contrôles non destructifs et détection de défauts
• diagnostic médical
• détermination des niveaux de liquide et solides friables dans des conteneurs fermés
• déterminer les tailles des produits
• visualisation des champs sonores - vision sonore et holographie acoustique

La réflexion, la réfraction et la capacité de focaliser les ultrasons sont utilisées dans la détection de défauts par ultrasons, dans les microscopes acoustiques à ultrasons, dans les diagnostics médicaux et pour étudier les macro-inhomogénéités de la matière. La présence d'inhomogénéités et leurs coordonnées sont déterminées par des signaux réfléchis ou par la structure de l'ombre.

Méthodes de mesure basées sur la dépendance des paramètres de résonance système oscillatoire sur les propriétés du milieu qui le charge (impédance), sont utilisés pour la mesure continue de la viscosité et de la densité des liquides, ainsi que pour la mesure de l'épaisseur de pièces accessibles uniquement d'un côté. Le même principe sous-tend les testeurs de dureté à ultrasons, les jauges de niveau et les commutateurs de niveau. Avantages des méthodes de contrôle par ultrasons : temps de mesure court, possibilité de contrôler des environnements explosifs, agressifs et toxiques, aucun impact de l'instrument sur l'environnement et les processus contrôlés.

L'effet des ultrasons sur une substance.

L'effet des ultrasons sur une substance, entraînant des modifications irréversibles de celle-ci, est largement utilisé dans l'industrie. Dans le même temps, les mécanismes d'influence des ultrasons sont différents pour environnements différents. Dans les gaz, le principal facteur opérationnel sont les courants acoustiques, qui accélèrent les processus de transfert de chaleur et de masse. De plus, l’efficacité du mélange par ultrasons est nettement supérieure à celle du mélange hydrodynamique conventionnel, car la couche limite a une épaisseur plus faible et, par conséquent, un gradient de température ou de concentration plus important. Cet effet est utilisé dans des processus tels que :

• séchage par ultrasons
• combustion dans un champ ultrasonore
• coagulation des aérosols

Dans le traitement par ultrasons des liquides, le principal facteur opérationnel est cavitation . Les processus technologiques suivants sont basés sur l'effet de cavitation :

• nettoyage par ultrasons
• métallisation et soudure
• effet capillaire sonore - pénétration des liquides dans les plus petits pores et fissures. Il est utilisé pour l'imprégnation de matériaux poreux et se produit lors de tout traitement par ultrasons de solides dans des liquides.
• cristallisation
• intensification des processus électrochimiques
• obtenir des aérosols
• destruction de micro-organismes et stérilisation par ultrasons des instruments

Courants acoustiques- l'un des principaux mécanismes de l'effet des ultrasons sur la matière. Elle est causée par l'absorption de l'énergie ultrasonore dans la substance et dans couche limite. Les écoulements acoustiques diffèrent des écoulements hydrodynamiques par la faible épaisseur de la couche limite et la possibilité de son amincissement avec l'augmentation de la fréquence d'oscillation. Cela conduit à une diminution de l'épaisseur de la couche limite de température ou de concentration et à une augmentation des gradients de température ou de concentration qui déterminent le taux de transfert de chaleur ou de masse. Cela contribue à accélérer les processus de combustion, séchage, mélange, distillation, diffusion, extraction, imprégnation, sorption, cristallisation, dissolution, dégazage des liquides et des matières fondues. Dans le flux avec haute énergie l'influence de l'onde acoustique s'effectue grâce à l'énergie de l'écoulement lui-même, en modifiant sa turbulence. Dans ce cas, l’énergie acoustique ne peut représenter qu’une fraction d’un pour cent de l’énergie du flux.

Lorsqu'une onde sonore de haute intensité traverse un liquide, ce qu'on appelle cavitation acoustique . Dans une onde sonore intense, pendant des demi-périodes de raréfaction, des bulles de cavitation apparaissent, qui s'effondrent brusquement lors du déplacement vers une zone de haute pression. Dans la région de cavitation, de puissantes perturbations hydrodynamiques apparaissent sous forme d’ondes de microchocs et de microflux. De plus, l'effondrement des bulles s'accompagne d'un fort échauffement local de la substance et d'un dégagement de gaz. Une telle exposition conduit à la destruction même de substances aussi durables que l'acier et le quartz. Cet effet est utilisé pour disperser des solides, produire de fines émulsions de liquides non miscibles, exciter et accélérer des réactions chimiques, détruire des micro-organismes, extraire des animaux et cellules végétales enzymes. La cavitation détermine également des effets tels qu'une faible lueur d'un liquide sous l'influence des ultrasons - sonoluminescence , et pénétration anormalement profonde du liquide dans les capillaires - effet sonocapillaire .

La dispersion par cavitation des cristaux de carbonate de calcium (calcaire) est à la base des dispositifs anticalcaires acoustiques. Sous l'influence des ultrasons, les particules présentes dans l'eau se divisent, leur taille moyenne diminue de 10 à 1 micron, leur nombre augmente et superficie totale surfaces de particules. Cela conduit au transfert du processus de formation de tartre de la surface d'échange thermique directement dans le liquide. Les ultrasons affectent également la couche de tartre formée, y formant des microfissures qui contribuent à la rupture des morceaux de tartre de la surface d'échange thermique.

Dans les installations de nettoyage par ultrasons, grâce à la cavitation et aux microflux qu'elle génère, les contaminants aussi bien liés à la surface, comme le tartre, le tartre, les bavures, que les contaminants mous, comme les films gras, la saleté, etc., sont éliminés. Le même effet est utilisé pour intensifier les processus électrolytiques.

Sous l'influence des ultrasons, un effet aussi curieux se produit que la coagulation acoustique, c'est-à-dire convergence et agrandissement des particules en suspension dans les liquides et les gaz. Le mécanisme physique de ce phénomène n’est pas encore complètement clair. La coagulation acoustique est utilisée pour le dépôt de poussières, fumées et brouillards industriels à des fréquences basses pour les ultrasons, jusqu'à 20 kHz. Il est possible que les effets bénéfiques de la sonnerie cloches d'église basé sur cet effet.

Le traitement mécanique des solides par ultrasons repose sur les effets suivants :

• réduction des frottements entre surfaces lors des vibrations ultrasonores de l'une d'entre elles
• réduction de la limite d'élasticité ou déformation plastique sous l'influence des ultrasons
• renforcement et réduction des contraintes résiduelles dans les métaux sous l'impact d'un outil à fréquence ultrasonore
• Effets combinés de compression statique et ultra vibrations sonores utilisé dans le soudage par ultrasons

Il existe quatre types d’usinage par ultrasons :

• traitement dimensionnel de pièces en matériaux durs et cassants
• découpe de matériaux difficiles à couper avec application d'ultrasons sur l'outil de coupe
• ébavurage dans un bain à ultrasons
• broyage de matériaux visqueux avec nettoyage par ultrasons de la meule

Effets des ultrasons sur objets biologiques provoque une variété d'effets et de réactions dans les tissus corporels, ce qui est largement utilisé en thérapie par ultrasons et en chirurgie. L'échographie est un catalyseur qui accélère l'établissement d'un équilibre, d'un point de vue physiologique, de l'état du corps, c'est-à-dire état sain. L'échographie a un effet beaucoup plus important sur les tissus malades que sur les tissus sains. La pulvérisation par ultrasons est également utilisée médicaments lors de l'inhalation. La chirurgie par ultrasons repose sur les effets suivants : la destruction des tissus par les ultrasons focalisés eux-mêmes et l'application de vibrations ultrasonores sur un instrument chirurgical coupant.

Les appareils à ultrasons sont utilisés pour la conversion et le traitement analogique des signaux électroniques et pour le contrôle des signaux lumineux en optique et optoélectronique. Les ultrasons à basse vitesse sont utilisés dans les lignes à retard. Le contrôle des signaux optiques repose sur la diffraction de la lumière par ultrasons. L'un des types d'une telle diffraction, appelée diffraction de Bragg, dépend de la longueur d'onde des ultrasons, ce qui permet d'isoler un intervalle de fréquence étroit d'un large spectre de rayonnement lumineux, c'est-à-dire filtrer la lumière.

L'échographie est une chose extrêmement intéressante et on peut supposer que bon nombre de ses applications pratiques sont encore inconnues de l'humanité. Nous aimons et connaissons l’échographie et serons heureux de discuter de toute idée liée à son application.

Où est utilisée l'échographie - tableau récapitulatif

Notre société, Koltso-Energo LLC, est engagée dans la production et l'installation de dispositifs anticalcaires acoustiques « Acoustic-T ». Les appareils produits par notre société se distinguent par un niveau de signal ultrasonore exceptionnellement élevé, ce qui leur permet de fonctionner sur des chaudières sans traitement d'eau et des chaudières vapeur-eau avec eau artésienne. Mais la prévention du tartre ne représente qu’une très petite partie de ce que les ultrasons peuvent faire. Cet outil naturel étonnant a d’énormes possibilités et nous souhaitons vous en parler. Les employés de notre entreprise travaillent depuis de nombreuses années dans les principales entreprises russes impliquées dans le secteur de l'acoustique. Nous en savons beaucoup sur l'échographie. Et si soudain le besoin se fait sentir d'utiliser les ultrasons dans votre technologie,

MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION DE LA RÉGION DE RYAZAN

Budget régional de l'État

Établissement d'enseignement professionnel

" Riazan école normale d'enseignants»

PROJET DE FORMATION INDIVIDUELLE

Dans la discipline académique "Physique"

Thème : « Les ultrasons et les infrasons dans la vie humaine »

Complété par : Vassilieva

Alena Nikolaïevna

Spécialité : 44/02/02 Enseignement

DANS école primaire

Groupe : 11h

Chef : Galkina

Natalia Evgenievna

Introduction.

J'ai choisi le thème « Les ultrasons et les infrasons dans la vie humaine » car je le trouve très intéressant et utile.

Les infrasons et les ultrasons se situent en dehors de la gamme de fréquences qui provoquent des sensations sonores.

Les infrasons, ou ondes élastiques avec des fréquences de 16 Hz et moins, se produisent dans diverses conditions - lorsqu'ils sont soufflés par le vent. divers articles, vibrations d'amplitude suffisante des machines-outils, de la carrosserie d'une voiture en mouvement, d'un moteur d'avion en marche, etc. Les infrasons ne sont pas perçus par les organes auditifs humains, mais le corps dans son ensemble y réagit, de sorte que la nécessité d'une étude détaillée de ces vibrations est compréhensible. La recherche sur les infrasons a commencé relativement récemment et il n’existe actuellement aucune théorie cohérente pour la gamme d’ondes élastiques indiquée. La tâche d'étude des infrasons est compliquée par les particularités de leur impact sur les appareils et les organismes vivants. Donc, organes internes Les humains ont des fréquences de vibration naturelles (fréquences de résonance) allant de 6 à 8 Hz, donc l'exposition à des vibrations infrasonores d'amplitude suffisante peut provoquer des sensations désagréables, voire douloureuses. Par conséquent, l'une des tâches de la recherche sur les infrasons est liée à la détermination du degré d'influence des vibrations basse fréquence sur le système nerveux, système cardiovasculaire personne, sur sa performance.

Les ultrasons sont utilisés pour nettoyer efficacement les surfaces, les pièces et les composants mécaniques de divers contaminants, traces de corrosion, etc. Ainsi, à l'aide d'installations à ultrasons, les pièces sont nettoyées de l'huile, des traces de tartre et le fond du navire est nettoyé. De plus, une installation de protection à ultrasons empêche l'encrassement du fond d'un navire par divers organismes marins et végétaux ; organismes, préservant ainsi les qualités opérationnelles du navire. A l'aide des ultrasons, ils nettoient l'air de la pollution, précipitant les particules d'impuretés, utilisent les ultrasons pour lutter contre le brouillard, etc.

Les ultrasons sont également largement utilisés pour accélérer un certain nombre de processus technologiques, où l'utilisation d'autres méthodes est difficile. Par exemple, lors du soudage ou du brasage de feuilles ou de fils fins, ce sont les ultrasons qui permettent d'obtenir des connexions de haute qualité. Je vous en dirai plus sur tout cela dans la partie principale du projet.

Objectif du projet :

Familiarisez-vous avec les concepts d'ultrasons et d'infrasons. Rappelez-vous où ils sont utilisés. Découvrez l'effet des ultra et infra sons sur le corps humain.

Objectifs du projet :

1. Étudier le matériel sur le thème « L'influence des ultrasons et des infrasons sur le corps humain »

2. Être capable d'appliquer le matériel étudié dans la vie.

Ultrasons et infrasons dans la vie humaine.

L'influence des ultrasons.

Les ultrasons sont des ondes sonores ayant une fréquence supérieure à celles perçues par l'oreille humaine ; généralement, les ultrasons désignent des fréquences supérieures à 20 000 Hertz.

La sensation spécifique que nous percevons sous forme de son est le résultat d'un effet sur le système auditif humain. mouvement oscillatoire milieu élastique - le plus souvent de l'air. Cependant, toutes les vibrations du milieu atteignant l’oreille ne provoquent pas la sensation sonore. La limite inférieure du son audible est constituée de vibrations d'une fréquence de 20 vibrations par seconde (20 Hz), la limite supérieure se situe entre 16 000 et 20 000 Hz. La position de ces limites est sujette à des changements individuels.

Domaine d'application des ultrasons

En dehors de la plage de fréquences spécifiée, il existe également des processus oscillatoires qui ne sont pas physiquement différents des vibrations et des ondes sonores, mais qui ne sont pas perçus par l'oreille comme des sons. Fluctuations du milieu avec des fréquences plus élevées limite supérieure l'audition, de l'ordre de dizaines et de centaines de milliers de hertz, sont habituellement appelées échographies.

Ces dernières années, les ultrasons ont trouvé de nombreuses applications dans économie nationale, biologie et médecine. Aux États-Unis, par exemple, il existe actuellement des millions d'installations à ultrasons.

L’industrie utilise les ultrasons dont la fréquence est des milliards de fois supérieure à l’intensité des sons audibles qui nous entourent. Les ultrasons peuvent être focalisés et créer une pression locale très élevée. Les ultrasons peuvent écraser des substances et accélérer les réactions chimiques. Les ultrasons sont capables d'introduire de l'eau dans les colloïdes. Grâce aux ultrasons, les processus de tannage du cuir, de teinture, de blanchiment et de lavage des tissus, de production de fibres synthétiques, de substituts du cuir et de plastiques sont considérablement accélérés. Les ultrasons sont utilisés pour la détection des défauts, ce qui permet de déterminer les défauts internes des pièces, pour nettoyer les chaudières du tartre, les surfaces sous-marines des navires, pour l'étamage avec de l'aluminium, l'argenture, etc. Les ultrasons ont trouvé une application dans la production de hauts fourneaux, dans transport par eau, en pêche et en géologie.

Les ultrasons sont utilisés en médecine à des fins de diagnostic (détection de corps étrangers), en dentisterie (forets), pour la réalisation d'émulsions de substances médicamenteuses, etc.

Actuellement, les ultrasons de faible intensité sont largement utilisés à des fins thérapeutiques.

L'échographie a un effet complexe et prononcé effet biologique, dont l'essence n'a pas encore été suffisamment clarifiée. Cette action semble dépendre principalement des énormes pressions locales créées dans les tissus et des conditions locales. effet thermique associé à l’absorption d’énergie lors de l’amortissement des vibrations. Les liquides et les gaz absorbent les ultrasons, tandis que les solides les conduisent bien. Les os sont également de bons conducteurs d’ultrasons.

Les trois principaux domaines d’application des ultrasons en médecine sont le diagnostic échographique, le « bistouri ultrasonique » et la physiothérapie ultrasonique. Commençons l'histoire par les deux derniers.

Le « scalpel à ultrasons » est principalement utilisé là où une exposition précise et limitée est nécessaire, où chaque millimètre supplémentaire de tissu détruit peut provoquer conséquences graves, comme par exemple dans le traitement chirurgical des maladies oculaires, la chirurgie plastique du visage, etc. La focalisation des ultrasons sur une petite zone déterminée permet d'influencer les structures profondes du corps. Ceci est particulièrement important lors d'opérations neurochirurgicales sur le cerveau, lors d'opérations visant à détruire les voies accessoires du cœur. À mesure que la fréquence des ultrasons augmente, leur effet devient extrêmement localisé. Par exemple, à une fréquence de 4 MHz, une zone tissulaire d'un volume de seulement 0,05 mm3 peut être détruite, tandis que les tissus environnants restent intacts.

Pour le traitement des maladies oculaires, les ultrasons ont été utilisés pour la première fois par les médecins de l'Institut de recherche sur les maladies oculaires et la thérapie tissulaire d'Odessa. V. P. Filatov, connu pour le développement d'un certain nombre de nouvelles méthodes de traitement des opacités cornéennes, des cataractes d'origine traumatique, du décollement de la rétine, etc. Des ultrasons basse fréquence d'une fréquence de 20 à 40 kHz ont également été utilisés pour dilater le canal lacrymal. comme lors d'opérations sur la cornée.

La chirurgie de la cataracte (opacification du cristallin) n'est généralement pratiquée qu'une fois le cristallin mûr, lorsque la vision a déjà été complètement perdue. Dans des conditions naturelles, ce processus dure parfois des années. Le « sondage » par ultrasons l'accélère jusqu'à plusieurs minutes, ce qui permet d'effectuer l'opération en moins de temps. premières dates et avec meilleurs résultats. Pour réaliser cette opération, un instrument à ultrasons original a été développé sous la forme d'une aiguille creuse de 1 mm d'épaisseur, enfermée dans une fine gaine de silicone et reliée à un générateur d'ultrasons. En observant le mouvement de l'aiguille au microscope, le chirurgien la rapproche de la lentille et active l'échographie. Sous l'influence des ultrasons, le cristallin trouble se liquéfie au bout de quelques instants. Le liquide résultant est éliminé de la capsule avec une solution désinfectante entrant par l'espace entre l'aiguille et son boîtier, et est aspiré par le canal interne de l'aiguille. La période postopératoire après une telle opération est considérablement réduite.

Des ultrasons focalisés ont été utilisés pour retarder un décollement de rétine potentiellement aveugle. Son effet ciblé en plusieurs points fixe la rétine aux tissus sous-jacents. Dans de nombreux cas, l’échographie permet d’éviter une intervention chirurgicale pour le glaucome. Le principal symptôme de cette maladie est une augmentation de la pression intraoculaire. La sclère de l'œil est « sondée » par échographie en plusieurs points, après quoi la pression intraoculaire diminue. Selon médecins américains, cette méthode est efficace dans 80% des cas.

L'effet destructeur des ultrasons est également utilisé pour éliminer les caillots sanguins des gros vaisseaux. À travers un trou réalisé avec une aiguille spéciale, le chirurgien insère un mince guide d'ondes ultrasonores dans le vaisseau et le déplace soigneusement vers le caillot sanguin. Après 10 à 12 secondes de « sondage », le thrombus cesse d'exister et le contenu liquide résultant est éliminé de la lumière du récipient et aspiré par la même aiguille. L'outil est retiré et le trou est « scellé » avec une soudure aux ultrasons.

Les ultrasons sont également utilisés dans le traitement chirurgical des maladies de l'oreille, du nez et de la gorge. Les opérations visant à éliminer les tissus enflés de la muqueuse nasale chroniquement enflammée et à corriger une cloison nasale déviée sont effectuées dans la plupart des cas à l'aide d'un scalpel, d'un ciseau et d'un marteau. Plus tard, ils ont développé un équipement à ultrasons pour cette opération. L'instrument à ultrasons a permis de le réaliser sans effusion de sang, presque sans douleur et, de plus, plusieurs fois plus rapidement. Le même groupe de médecins russes a développé un scalpel à ultrasons pour effectuer une trachéotomie (couper la trachée). Cette opération est généralement réalisée pour des raisons de santé - en cas d'apparition soudaine d'étouffement. Ici, chaque instant est précieux et l’utilisation des ultrasons peut faire gagner jusqu’à 10 minutes.

Selon de nombreux médecins, la méthode échographique élargit sans aucun doute les possibilités traitement chirurgical patients présentant diverses pathologies des poumons et de la plèvre. Les médecins pratiquent une chirurgie thoracique par échographie. Un instrument à ultrasons coupe et relie le sternum, les côtes, les bronches et bougiene les artères rétrécies. De longs guides d'ondes ultrasoniques flexibles pour les manipulations de la trachée et des bronches, développés pour la première fois au monde par un groupe de scientifiques soviétiques, sont mis en pratique. Réalisé études expérimentales en connectant le tissu du bac et en fermant le moignon bronchique par ultrasons.

Les scientifiques ont développé et appliqué une méthode de découpe et d'assemblage par ultrasons tissu osseux par soudage par ultrasons - d'abord dans de nombreuses expériences sur des animaux, puis en clinique. Pour couper un os avec une scie ordinaire, il est nécessaire de décoller les tissus mous sur une surface assez grande, mais pour une scie à ultrasons, un trou dans les tissus mous d'un diamètre de 1 cm est suffisant. Ceci est particulièrement important. lors d'une craniotomie, d'une résection costale, etc.

La méthode de surfaçage par ultrasons du tissu osseux consiste dans le fait que la cavité formée dans l'os après l'élimination du foyer pathologique est remplie de copeaux osseux, qui sont imprégnés d'un matériau de remplissage spécial et « sondés » par ultrasons. Après avoir « sonné », toute cette masse se transforme en un conglomérat fermement soudé à l’os. L'échographie est également utilisée pour relier les tissus du foie, de la rate et des glandes endocrines.

Depuis de nombreuses années, les appareils à ultrasons sont utilisés en dentisterie pour éliminer le tartre et, ces dernières années, également pour traiter les caries et leurs complications. Un abrasif (oxyde d'aluminium, bore, etc. poudre en suspension dans l'eau) est placé entre l'extrémité active du vibrateur ultrasonique et la dent. Les particules abrasives, frappant le tissu dentaire, s'en retirent progressivement couche par couche. La cavité résultante reproduit la forme de l'extrémité du vibrateur. Ses murs sont polis en douceur. La qualité du remplissage est également meilleure, car sous l'influence du « sondage », la structure change et la densité du matériau de remplissage augmente. Le traitement dentaire par ultrasons est silencieux. La génération de chaleur, et donc l'échauffement de la dent, est plus faible que lors d'un perçage avec une fraise rotative. Par conséquent, la douleur chez la plupart des patients est absente ou minime. DANS dans ce cas Cet avantage incontestable des ultrasons se transforme en inconvénient. Avec un traitement échographique pratiquement indolore de la pulpite, il est difficile pour le médecin de déterminer le moment d'approche du nerf. Par conséquent, les perceuses à ultrasons ne peuvent être utilisées que par des spécialistes expérimentés.

L’action écrasante des ultrasons peut également être utilisée pour détruire les calculs urétéraux. L'outil à ultrasons écrase la pierre en 5 à 60 secondes, selon la taille et la densité de la pierre.

Un scalpel à ultrasons n'est ni en apparence ni en principe de fonctionnement similaire à un scalpel chirurgical. Extérieurement, il ressemble à une fusée miniature à deux étages qui tient facilement dans votre main. Son premier étage contient un vibrateur à ultrasons dont l'action est basée sur le principe de magnétostriction (du mot latin « strictio » - compression).

L'essence du phénomène de magnétostriction réside dans le fait que certains métaux, lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique, modifient leurs dimensions géométriques. Si un fil de cuivre est enroulé autour d'une tige d'un tel matériau ferromagnétique et qu'un courant alternatif le traverse avec une fréquence correspondant aux fréquences des ultrasons, alors la tige changera de dimensions à la même fréquence. L'amplitude des changements de taille du vibrateur étant très faible, un concentrateur à ultrasons (le deuxième étage de la « fusée ») est conçu pour l'amplifier. Le concentrateur s'effile de la base vers le sommet, dont la plage de vibrations est des dizaines de fois supérieure à celle de la base, qui change de position en même temps que le vibrateur. L'amplitude d'oscillation du haut du concentrateur atteint 50 à 60 microns et la fréquence est de 25 à 50 kHz. Un scalpel à ultrasons fonctionne comme une microscie tranchante. Grâce à l'énergie des vibrations ultrasonores, il sépare les tissus aux limites de contact des membranes cellulaires, presque sans endommager les cellules elles-mêmes, ce qui favorise une guérison meilleure et plus rapide. En tournant légèrement l'instrument et en changeant ainsi la direction du faisceau ultrasonore, vous pouvez changer la direction de l'incision sans élargir l'approche chirurgicale. Lors de la coupe des tissus, les ultrasons arrêtent le saignement capillaire. Il est également important que l’utilisation des ultrasons réduise considérablement la douleur liée à l’intervention chirurgicale.

La technologie des ultrasons chirurgicaux fait désormais partie de l’arsenal médecine pratique. Il est utilisé avec les instruments chirurgicaux traditionnels, l'électrocoagulation, le laser et d'autres méthodes, en tenant compte des caractéristiques de la maladie, des indications et des contre-indications. À mesure que la production d'équipements à ultrasons pour les interventions chirurgicales s'améliore et augmente, sa mise en œuvre dans la pratique va se développer.

Les phénomènes physiques qui surviennent lorsque les ultrasons influencent les liquides constituent la base nouvelle technique traitement des plaies développé par des scientifiques russes. Des solutions d'antibiotiques ou d'antiseptiques sont injectées dans la plaie, qui sont « sondées » à l'aide d'un guide d'ondes ultrasonique. Le liquide sonné élimine les tissus morts, masse la surface de la plaie et améliore la circulation sanguine. La diffusion des substances médicamenteuses s'améliore également, la douleur lors du pansement est réduite et la contamination bactérienne de la plaie est réduite, ce qui contribue à une cicatrisation plus rapide et plus douce. Le temps de traitement de ces patients à l'hôpital est sensiblement réduit.

Un domaine distinct d'application des ultrasons en médecine est la physiothérapie par ultrasons.

Le mécanisme de l'effet physiologique des ultrasons thérapeutiques sur les tissus d'un organisme vivant n'a pas encore été entièrement élucidé. Il est d'usage de distinguer trois facteurs principaux d'influence des ultrasons : mécanique, thermique et physico-chimique. L'effet mécanique consiste en un micromassage vibratoire des tissus aux niveaux cellulaire et subcellulaire, augmentant la perméabilité des membranes cellulaires et le métabolisme des cellules et des tissus du corps. Effet thermique les ultrasons à faibles intensités utilisés à des fins thérapeutiques sont insignifiants. La chaleur peut s'accumuler principalement dans les tissus qui absorbent le plus l'énergie ultrasonore (nerveux, os), ainsi qu'aux limites d'environnements présentant des résistances acoustiques différentes (à la limite des os et des tissus mous) et dans des endroits où la circulation sanguine est insuffisante.

L'effet physico-chimique des ultrasons est principalement dû au fait que l'utilisation de l'énergie acoustique provoque résonance mécanique dans la substance des tissus vivants. Dans le même temps, le mouvement des molécules s'accélère, leur désintégration en ions augmente, l'état électrique des cellules et du liquide péricellulaire change, de nouveaux champs électriques se forment et la diffusion à travers membranes biologiques, les processus métaboliques sont activés,

Lorsque la peau est exposée aux ultrasons, sa fonction barrière protectrice s'améliore, l'activité des glandes sudoripares et sébacées augmente et les processus de régénération sont activés. Fait intéressant, la sensibilité cutanée divers domaines Le corps à l'échographie n'est pas le même : au niveau du visage et de l'abdomen, il est plus élevé qu'au niveau des membres.

Lorsqu'il est exposé à des ultrasons sur le système nerveux d'une puissance de 0,5 W/cm2. la vitesse d'excitation le long des fibres nerveuses augmente et à une intensité plus élevée - 1 W/cm2. - ça diminue. Les ultrasons d'intensité modérée ont un effet antispasmodique - ils soulagent les spasmes des bronches, de la bile et des voies urinaires, des intestins et augmentent la miction. Sous son influence, le tonus vasculaire est normalisé, l'apport sanguin aux tissus est amélioré et leur absorption d'oxygène augmente.

L'échographie est utilisée pour traiter l'amygdalite chronique. Les amygdales affectées sont « sondées » avec des ultrasons de faible intensité, grâce auxquels l'activité des micro-organismes pathogènes est réduite, la nutrition des tissus est améliorée et les processus immunobiologiques sont activés. De ce fait, un tel traitement ambulatoire permet de préserver les amygdales, qui jouent un rôle important dans réactions défensives corps. Les médecins de Rostov ont développé une méthode originale de massage oculaire par ultrasons. Après instillation du médicament anesthésique, un cadre annulaire est placé sur l’œil du patient et l’échographie est activée. Après une douzaine de séances de ce type de massage ultrasonique chez des patients atteints forme initiale glaucome, la pression intraoculaire est normalisée.

En gynécologie, les ultrasons sont utilisés pour traiter l'érosion cervicale. Après seulement deux ou trois échographies, réalisées à un ou deux jours d'intervalle, l'érosion a commencé à guérir et, au bout d'un mois, chez la plupart des patients, elle a complètement disparu.

L'une des spécialisations de la thérapie par ultrasons est le traitement de l'adénome de la prostate. Cette maladie touche principalement les hommes âgés. Le traitement est dans la plupart des cas chirurgical. L'utilisation de la thérapie par ultrasons pour l'adénome de la prostate et la prostatite donne bon résultat: après plusieurs interventions, les douleurs des patients ont presque complètement disparu, la miction est devenue normale et leur état général s’est amélioré. Le « sondage » réalisé après une intervention chirurgicale pour retirer la glande contribue à un meilleur déroulement de la période postopératoire.

La thérapie par ultrasons est la plus largement utilisée pour l'ostéochondrose, l'arthrose, la radiculite et d'autres maladies du système nerveux périphérique et du système musculo-squelettique.

Le traitement par ultrasons n'est pas recommandé en cas de maladies infectieuses aiguës, d'angine de poitrine, d'anévrisme cardiaque, d'hypertension de stade II B et III, de maladies du sang, de tendance hémorragique et également pendant la grossesse. Auparavant, la présence de tumeurs malignes était également considérée comme une contre-indication. Mais dans dernièrement La question de l'utilisation de la thérapie par ultrasons pour leur traitement, aussi bien séparément qu'en association avec la radiothérapie, est à l'étude.

Parfois, les ultrasons sont utilisés en association avec diverses substances médicinales. Cette méthode est appelée phonophorèse, bien qu'il serait plus correct de l'appeler ultraphonophorèse. La méthode repose sur l'augmentation de la perméabilité de la peau, des muqueuses, des membranes cellulaires et sur l'amélioration de la microcirculation locale sous l'influence des ultrasons. Tout cela contribue à l'introduction d'un certain nombre de substances médicinales à travers la peau et les muqueuses.

Actuellement, la phonophorèse de nombreux médicaments est utilisée, par exemple l'hydrocortisone, l'analgine, l'aminazine, l'interféron, la complamine, l'héparine, l'extrait d'aloès, le FiBS, un certain nombre d'antibiotiques, etc. Cependant, il a été constaté que certains médicaments, par exemple l'aminophylline, l'acide ascorbique, la thiamine (vitamine B1) et autres, lorsqu'ils sont « sonnés » par ultrasons, soit ne pénètrent pas dans l'organisme, soit sont détruits. Parfois, lors de la phonophorèse, la peau ou les muqueuses sont d'abord sondées par ultrasons, puis, après avoir retiré le milieu de contact, une substance médicamenteuse est appliquée sous forme de lotion ou de pommade. Mais le plus souvent, la procédure est réalisée de la même manière que l'irradiation par ultrasons conventionnelle. Les substances médicinales sont d'abord appliquées à la surface de la peau ou des muqueuses sous la forme solution aqueuse, émulsions ou pommades. Ils servent également de support de contact lors de la notation. Avec la phonophorèse, ainsi qu'avec le « sondage » sans recours à des médicaments, deux techniques sont utilisées : stable et labile. Avec le premier, le vibrateur reste immobile pendant l'intervention, avec le second, il se déplace lentement à la surface de la peau ou des muqueuses.

Ces dernières années, les possibilités d'utilisation de l'ultraphonopuncture, des ultrasons focalisés, des ultrasons biocontrôlés et biosynchronisés ont été étudiées. Le champ d’application de la thérapie par ultrasons continue de s’étendre.

Ultrason - vibrations mécaniques, situé au-dessus de la gamme de fréquences audibles par l'oreille humaine (généralement 20 kHz). Les vibrations ultrasoniques se propagent sous des formes d’onde, similaires à la propagation de la lumière. Cependant, contrairement aux ondes lumineuses, qui peuvent se propager dans le vide, les ultrasons nécessitent un milieu élastique tel qu'un gaz, un liquide ou un solide.

, (3)

Pour les ondes transversales, elle est déterminée par la formule

Dispersion sonore- dépendance vitesse de phase monochromatique ondes sonores sur leur fréquence. La dispersion de la vitesse du son peut être déterminée comme propriétés physiques environnement, et la présence d'inclusions étrangères dans celui-ci et la présence de limites du corps dans lesquelles l'onde sonore se propage.

Types d'ondes ultrasonores

La plupart des techniques échographiques utilisent des ondes longitudinales ou de cisaillement. Il existe également d’autres formes de propagation des ultrasons, notamment les ondes de surface et les ondes de Lamb.

Ondes ultrasonores longitudinales– des ondes dont la direction de propagation coïncide avec la direction des déplacements et des vitesses des particules du milieu.

Ondes ultrasonores transversales– des ondes se propageant dans une direction perpendiculaire au plan dans lequel se trouvent les directions de déplacements et les vitesses des particules du corps, au même titre que les ondes de cisaillement.

Ondes ultrasonores de surface (Rayleigh) ont un mouvement de particules elliptique et se propagent sur la surface du matériau. Leur vitesse est d'environ 90 % de la vitesse de propagation des ondes de cisaillement, et leur pénétration dans le matériau est égale à environ une longueur d'onde.

Vague d'agneau- une onde élastique se propageant dans une plaque (couche) solide aux frontières libres, dans laquelle le déplacement oscillatoire des particules se produit à la fois dans le sens de propagation de l'onde et perpendiculairement au plan de la plaque. Les ondes de Lamb sont l'un des types d'ondes normales dans un guide d'ondes élastique - dans une plaque aux limites libres. Parce que ces ondes doivent satisfaire non seulement aux équations de la théorie de l'élasticité, mais aussi aux conditions aux limites à la surface de la plaque ; le schéma de leur mouvement et leurs propriétés sont plus complexes que ceux des ondes dans les solides non limités.

Visualisation des ondes ultrasonores

Pour une onde progressive sinusoïdale plane, l'intensité ultrasonore I est déterminée par la formule

, (5)

DANS onde progressive sphérique L'intensité des ultrasons est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source. DANS vague stationnaire I = 0, c'est-à-dire qu'il n'y a en moyenne aucun flux d'énergie sonore. Intensité des ultrasons en onde progressive plane harmoniqueégale à la densité d'énergie de l'onde sonore multipliée par la vitesse du son. Le flux d'énergie sonore est caractérisé par ce qu'on appelle Vecteur Umov- vecteur de la densité de flux énergétique de l'onde sonore, qui peut être représenté comme le produit de l'intensité ultrasonore et du vecteur normal de l'onde, c'est-à-dire vecteur unitaire, perpendiculaire au front d’onde. Si le champ sonore est une superposition ondes harmoniques différentes fréquences, alors pour le vecteur de la densité de flux d'énergie sonore moyenne, il existe une additivité des composants.

Pour les émetteurs créant une onde plane, on parle de intensité du rayonnement, c'est-à-dire par là densité de puissance de l'émetteur, c'est-à-dire la puissance acoustique rayonnée par unité de surface de surface rayonnante.

L'intensité sonore est mesurée en unités SI en W/m2. Dans la technologie ultrasonique, la gamme de changements d'intensité des ultrasons est très large - depuis des valeurs seuils de ~ 10 -12 W/m2 jusqu'à des centaines de kW/m2 au foyer des concentrateurs à ultrasons.

Tableau 1 - Propriétés de certains matériaux courants

Atténuation des ultrasons

L’une des principales caractéristiques des ultrasons est leur atténuation. Atténuation des ultrasons est une diminution de l’amplitude et donc une onde sonore au fur et à mesure de sa propagation. L'atténuation des ultrasons se produit pour plusieurs raisons. Les principaux sont :

La première de ces raisons est due au fait qu'à mesure qu'une onde se propage à partir d'une source ponctuelle ou sphérique, l'énergie émise par la source est distribuée sur une surface toujours croissante du front d'onde et, par conséquent, l'énergie circule à travers une unité. la surface diminue, c'est-à-dire . Pour une onde sphérique, surface des vagues qui augmente avec la distance r de la source lorsque r 2 , l'amplitude de l'onde diminue proportionnellement à , et pour vague cylindrique- proportionnellement.

Le coefficient d'atténuation est exprimé soit en décibels par mètre (dB/m), soit en décibels par mètre (Np/m).

Pour une onde plane, le coefficient d'atténuation d'amplitude avec la distance est déterminé par la formule

, (6)

Le coefficient d'atténuation en fonction du temps est déterminé

, (7)

L'unité dB/m est également utilisée pour mesurer le coefficient, dans ce cas

, (8)

Décibel (dB) – unité logarithmique mesures d'énergie ou de rapports de puissance en acoustique.

, (9)

• où A 1 est l'amplitude du premier signal,
• A 2 – amplitude du deuxième signal

Alors la relation entre les unités de mesure (dB/m) et (1/m) sera :

Réflexion des ultrasons depuis l'interface

Lorsqu’une onde sonore tombe sur l’interface, une partie de l’énergie sera réfléchie dans le premier milieu, et le reste de l’énergie passera dans le deuxième milieu. La relation entre l'énergie réfléchie et l'énergie passant dans le second milieu est déterminée par les impédances d'onde du premier et du second milieu. En l'absence de dispersion de la vitesse du son impédance caractéristique ne dépend pas de la forme d'onde et s'exprime par la formule :

Les coefficients de réflexion et de transmission seront déterminés comme suit

, (12)

, (13)

• où D est le coefficient de transmission de la pression acoustique

Il convient également de noter que si le deuxième médium est acoustiquement « plus doux », c'est-à-dire Z 1 >Z 2, puis lors de la réflexion, la phase de l'onde change de 180˚.

Le coefficient de transmission d'énergie d'un milieu à un autre est déterminé par le rapport de l'intensité de l'onde passant dans le deuxième milieu à l'intensité de l'onde incidente.

, (14)

Interférence et diffraction des ondes ultrasonores

Interférence sonore- répartition spatiale inégale de l'amplitude de l'onde sonore résultante en fonction du rapport entre les phases des ondes qui se développent en un point ou un autre de l'espace. Lorsque des ondes harmoniques de même fréquence sont ajoutées, la distribution spatiale des amplitudes résultante forme un motif d'interférence indépendant du temps, qui correspond à un changement dans la différence de phase des ondes composantes lors du déplacement d'un point à un autre. Pour deux ondes interférentes, ce motif sur un plan se présente sous la forme de bandes alternées d'amplification et d'atténuation de l'amplitude d'une valeur caractérisant le champ sonore (par exemple la pression acoustique). Pour deux ondes planes, les bandes sont rectilignes avec une amplitude qui varie à travers les bandes en fonction de l'évolution de la différence de phase. Un cas particulier important d'interférence est l'ajout d'une onde plane avec sa réflexion sur une frontière plane ; cela crée vague stationnaire avec des plans de nœuds et de ventres situés parallèlement à la frontière.

Diffraction sonore- écart du comportement sonore par rapport aux lois de l'acoustique géométrique, dû à la nature ondulatoire du son. Le résultat de la diffraction sonore est la divergence des faisceaux ultrasonores lorsqu'ils s'éloignent de l'émetteur ou après avoir traversé un trou de l'écran, la courbure des ondes sonores dans la zone d'ombre derrière des obstacles grands par rapport à la longueur d'onde, l'absence d'ombre derrière obstacles petits par rapport à la longueur d'onde, etc. n. Les champs sonores créés par la diffraction de l'onde originale sur les obstacles placés dans le milieu, sur les inhomogénéités du milieu lui-même, ainsi que sur les irrégularités et inhomogénéités des limites du milieu, sont appelés champs épars. Pour les objets sur lesquels se produit une diffraction sonore qui est grande par rapport à la longueur d'onde, le degré d'écart par rapport au motif géométrique dépend de la valeur du paramètre d'onde

, (15)

• où D est le diamètre de l'objet (par exemple, le diamètre d'un émetteur d'ultrasons ou d'un obstacle),
• r - distance du point d'observation à cet objet

Émetteurs d'ultrasons

Émetteurs d'ultrasons- les dispositifs utilisés pour exciter les vibrations et les ondes ultrasonores dans les milieux gazeux, liquides et support solide. Les émetteurs d'ultrasons convertissent l'énergie d'un autre type en énergie.

Les émetteurs d'ultrasons les plus utilisés sont transducteurs électroacoustiques. Dans la grande majorité des émetteurs d'ultrasons de ce type, à savoir dans transducteurs piézoélectriques , convertisseurs magnétostrictifs, émetteurs électrodynamiques, émetteurs électromagnétiques et électrostatiques, l'énergie électrique est convertie en énergie vibratoire de n'importe quel solide(plaque émettrice, tige, diaphragme, etc.), qui émet dans environnement ondes acoustiques. Tous les convertisseurs répertoriés sont, en règle générale, linéaires et, par conséquent, les oscillations du système rayonnant reproduisent sous forme le signal électrique d'excitation ; Ce n'est qu'à de très grandes amplitudes d'oscillation proches de la limite supérieure de la plage dynamique de l'émetteur d'ultrasons que des distorsions non linéaires peuvent se produire.

Les convertisseurs conçus pour émettre des ondes monochromatiques utilisent le phénomène résonance: ils fonctionnent sur l'une des oscillations naturelles d'un système oscillatoire mécanique, à la fréquence duquel le générateur est accordé vibrations électriques, convertisseur passionnant. Les transducteurs électroacoustiques dépourvus de système rayonnant à l'état solide sont relativement rarement utilisés comme émetteurs d'ultrasons ; il s'agit, par exemple, d'émetteurs d'ultrasons basés sur décharge électrique dans un liquide ou sur l'électrostriction d'un liquide.

Caractéristiques de l'émetteur d'ultrasons

Les principales caractéristiques des émetteurs d'ultrasons comprennent leur spectre de fréquence, émis puissance sonore, directivité du rayonnement. Dans le cas du rayonnement monofréquence, les principales caractéristiques sont fréquence de fonctionnementémetteur d'ultrasons et son bande de fréquence, dont les limites sont déterminées par une baisse de moitié de la puissance rayonnée par rapport à sa valeur à la fréquence de rayonnement maximale. Pour les transducteurs électroacoustiques résonants, la fréquence de fonctionnement est fréquence naturelle convertisseur f 0, et bande passanteΔf est déterminé par son facteur de qualité Q.

Les émetteurs d'ultrasons (transducteurs électroacoustiques) se caractérisent par leur sensibilité, leur efficacité électroacoustique et leur propre impédance électrique.

Sensibilité de l'émetteur d'ultrasons- le rapport de la pression acoustique à la caractéristique directionnelle maximale à une certaine distance de l'émetteur (le plus souvent à une distance de 1 m) sur tension électrique dessus ou au courant qui y circule. Cette caractéristique s'applique aux émetteurs ultrasoniques utilisés dans les systèmes d'alarme audio, les sonars et autres appareils similaires. Pour les émetteurs à des fins technologiques, utilisés par exemple dans le nettoyage par ultrasons, la coagulation et l'influence sur les processus chimiques, la principale caractéristique est la puissance. Outre la puissance totale rayonnée, estimée en W, les émetteurs d'ultrasons se caractérisent par puissance spécifique, c'est-à-dire la puissance moyenne par unité de surface de la surface émettrice, ou l'intensité moyenne du rayonnement en champ proche, estimée en W/m2.

L'efficacité des transducteurs électroacoustiques émettant de l'énergie acoustique dans l'environnement sonore est caractérisée par leur ampleur efficacité électroacoustique, qui est le rapport entre la puissance acoustique émise et la puissance électrique dépensée. En acoustoélectronique, pour évaluer l'efficacité des émetteurs d'ultrasons, on utilise ce que l'on appelle le coefficient de perte électrique, égal au rapport (en dB) de la puissance électrique sur la puissance acoustique. L'efficacité des outils à ultrasons utilisés dans le soudage par ultrasons, l'usinage et autres est caractérisée par ce que l'on appelle le coefficient d'efficacité, qui est le rapport du carré de l'amplitude du déplacement oscillatoire à l'extrémité active du concentrateur à la puissance électrique consommée. par le transducteur. Parfois, le coefficient de couplage électromécanique effectif est utilisé pour caractériser la conversion d'énergie dans les émetteurs d'ultrasons.

Champ sonore de l'émetteur

Le champ sonore du transducteur est divisé en deux zones : la zone proche et la zone lointaine. Zone proche il s'agit de la zone située directement devant le transducteur où l'amplitude de l'écho passe par une série de maxima et de minima. La zone proche se termine au dernier maximum, qui se situe à une distance N du convertisseur. On sait que l'emplacement du dernier maximum est le foyer naturel du transducteur. Zone lointaine Il s’agit de la zone au-delà de N, où la pression du champ sonore diminue progressivement jusqu’à zéro.

La position du dernier maximum N sur l'axe acoustique, à son tour, dépend du diamètre et de la longueur d'onde et pour un émetteur à disque circulaire est exprimée par la formule

, (17)

Cependant, comme D est généralement beaucoup plus grand, l’équation peut être simplifiée sous la forme

Les caractéristiques du champ sonore sont déterminées par la conception du transducteur ultrasonique. Par conséquent, la propagation du son dans la zone étudiée et la sensibilité du capteur dépendent de sa forme.

Applications à ultrasons

Les diverses applications des ultrasons, dans lesquelles leurs diverses caractéristiques sont utilisées, peuvent être divisées en trois domaines. est associé à l'obtention d'informations par ondes ultrasonores, à une influence active sur la matière, ainsi qu'au traitement et à la transmission de signaux (les directions sont répertoriées dans l'ordre de leur formation historique). Pour chaque application spécifique, des ultrasons d'une certaine gamme de fréquences sont utilisés.

Les fréquences de 16 Hz à 20 kHz, que l'aide auditive humaine peut percevoir, sont généralement appelées sons ou acoustiques, par exemple le grincement d'un moustique « 10 kHz ». Mais l'air, les profondeurs des mers et les entrailles de la terre sont remplis de sons qui se situent en dehors de cette gamme - infra et ultrasons. Dans la nature, les ultrasons sont présents comme composant de nombreux bruits naturels, dans le bruit du vent, des cascades, de la pluie, des cailloux marins roulés par les vagues et dans les décharges de foudre. De nombreux mammifères, tels que les chats et les chiens, ont la capacité de percevoir des ultrasons d'une fréquence allant jusqu'à 100 kHz, et les capacités de localisation des chauves-souris, des insectes nocturnes et des animaux marins sont bien connues de tous. L’existence de tels sons n’a été découverte qu’à la fin du XIXe siècle avec le développement de l’acoustique. Parallèlement, les premières études sur l'échographie commencent, mais les bases de son application ne sont posées que dans le premier tiers du XXe siècle.

Qu'est-ce que l'échographie

Les ondes ultrasonores (son inaudible), de par leur nature, ne diffèrent pas des ondes dans la plage audible et obéissent aux mêmes lois physiques. Mais les ultrasons présentent des caractéristiques spécifiques qui ont déterminé leur utilisation généralisée dans les domaines scientifique et technologique.

Voici les principaux :

• Longueur d'onde courte. Pour la gamme ultrasonore la plus basse, la longueur d’onde ne dépasse pas plusieurs centimètres dans la plupart des milieux. La courte longueur d’onde détermine la nature des rayons de propagation des ondes ultrasonores. A proximité de l'émetteur, les ultrasons se propagent sous forme de faisceaux de taille similaire à celle de l'émetteur. Lorsqu'il rencontre des inhomogénéités du milieu, le faisceau ultrasonore se comporte comme un faisceau lumineux soumis à réflexion, réfraction et diffusion, ce qui permet de former des images sonores dans des milieux optiquement opaques à l'aide d'effets purement optiques (focalisation, diffraction, etc.)
• Une courte période d'oscillation, qui permet d'émettre des ultrasons sous forme d'impulsions et d'effectuer une sélection temporelle précise des signaux se propageant dans le milieu.
• Possibilité d'obtenir des valeurs élevées d'intensité d'oscillation à faible amplitude, car l'énergie vibratoire est proportionnelle au carré de la fréquence. Cela permet de créer des faisceaux et des champs ultrasonores avec un niveau d'énergie élevé, sans nécessiter d'équipement de grande taille.
• Des courants acoustiques importants se développent dans le champ ultrasonique, de sorte que l'effet des ultrasons sur l'environnement donne lieu à des effets physiques, chimiques, biologiques et médicaux spécifiques, tels que la cavitation, l'effet capillaire, la dispersion, l'émulsification, le dégazage, la désinfection, l'échauffement local et bien d'autres. .

Histoire de l'échographie

L'attention portée à l'acoustique a été motivée par les besoins de la marine des principales puissances - l'Angleterre et la France, etc. L'acoustique est le seul type de signal qui peut voyager loin dans l'eau. En 1826, le scientifique français Colladon détermina la vitesse du son dans l'eau. L'expérience de Colladon est considérée comme la naissance de l'hydroacoustique moderne. La cloche sous-marine du lac Léman a été frappée avec l'allumage simultané de la poudre à canon. L'éclair de la poudre à canon a été observé par Colladon à une distance de 10 milles. Il a également entendu le son de la cloche à l'aide d'un tube auditif sous-marin. En mesurant l'intervalle de temps entre ces deux événements, Colladon a calculé la vitesse du son à 1 435 m/sec. La différence avec les calculs modernes n’est que de 3 m/sec.

En 1838, aux États-Unis, le son fut utilisé pour la première fois pour déterminer le profil des fonds marins. La source du son, comme dans l’expérience de Colladon, était une cloche sonnant sous l’eau, et le récepteur était de grands tubes auditifs descendus par-dessus bord. Les résultats de l'expérience ont été décevants: le son de la cloche, ainsi que l'explosion des cartouches de poudre à canon dans l'eau, ont donné un écho trop faible, presque inaudible parmi les autres bruits de la mer. Il fallait aller dans la région des fréquences plus élevées, permettant la création de faisceaux sonores dirigés.

Le premier générateur d'ultrasons a été fabriqué en 1883 par l'Anglais Galton. Les ultrasons ont été créés de manière similaire au son aigu émis par le tranchant d'un couteau lorsqu'un courant d'air le frappe. Le rôle d'une telle pointe dans le sifflet de Galton était joué par un cylindre aux arêtes vives. De l'air (ou un autre gaz), sortant sous pression par une buse annulaire d'un diamètre identique à celui du bord du cylindre, y pénétrait et des oscillations à haute fréquence se produisaient. En sifflant avec de l'hydrogène, il a été possible d'obtenir des oscillations allant jusqu'à 170 kHz.

En 1880, Pierre et Jacques Curie font une découverte décisive pour la technologie des ultrasons. Les frères Curie ont remarqué que lorsqu'une pression était appliquée sur les cristaux de quartz, une charge électrique était générée, directement proportionnelle à la force appliquée sur le cristal. Ce phénomène a été appelé « piézoélectricité » du mot grec signifiant « presser ». Ils ont également démontré l’effet piézoélectrique inverse, qui se produit lorsqu’un potentiel électrique changeant rapidement est appliqué au cristal, le faisant vibrer. Il est désormais techniquement possible de fabriquer des émetteurs et des récepteurs d'ultrasons de petite taille.

La mort du Titanic suite à une collision avec un iceberg et la nécessité de combattre de nouvelles armes – les sous-marins – ont nécessité le développement rapide de l’hydroacoustique ultrasonique. En 1914, le physicien français Paul Langevin et un scientifique russe vivant en Suisse, Konstantin Shilovsky, ont développé pour la première fois un sonar composé d'un émetteur d'ultrasons et d'un hydrophone - un récepteur de vibrations ultrasoniques, basé sur l'effet piézoélectrique. Le sonar Langevin-Shilovsky a été le premier appareil à ultrasons utilisé en pratique. Au début du siècle également, le scientifique russe S.Ya Sokolov a développé les bases de la détection de défauts par ultrasons dans l'industrie. En 1937, le psychiatre allemand Karl Dussick et son frère Friedrich, physicien, ont utilisé pour la première fois les ultrasons pour détecter les tumeurs cérébrales, mais les résultats obtenus se sont révélés peu fiables. Dans le diagnostic médical, les ultrasons n'ont commencé à être utilisés que dans les années 50 du 20e siècle aux États-Unis.

Applications à ultrasons

Les diverses applications des ultrasons peuvent être divisées en trois domaines :

1. obtenir des informations par échographie
2. influence sur une substance, étant
3. traitement et transmission du signal

La dépendance de la vitesse de propagation et d'atténuation des ondes acoustiques sur les propriétés de la matière et les processus qui s'y déroulent est utilisée pour :

• contrôle des réactions chimiques, transitions de phase, polymérisation, etc.
• détermination des caractéristiques de résistance et de la composition des matériaux,
• déterminer la présence d'impuretés,
• déterminer le débit de liquide et de gaz

À l'aide des ultrasons, vous pouvez laver les vêtements, repousser les rongeurs, les utiliser en médecine, vérifier les défauts de divers matériaux et des choses bien plus intéressantes.