Uporaba ultrazvoka. Kaj je ultrazvok in kako je uporaben?

Frekvence od 16 do 18000 Hz, ki jih je sposoben zaznati človeški slušni aparat, običajno imenujemo zvočne frekvence, na primer cviljenje komarja »10 kHz. Toda zrak, morske globine in drobovje zemlje napolnjen z zvoki, ki ležijo pod in nad tem obsegom – infra in ultrazvok. V naravi najdemo ultrazvok kot sestavni del številnih naravnih šumov: v šumu vetra, slapov, dežja, morskih kamenčkov, ki jih kotali val, in v nevihtah. Številni sesalci, kot so mačke in psi, imajo sposobnost zaznavanja ultrazvoka s frekvenco do 100 kHz, lokacijske sposobnosti netopirjev, nočnih žuželk in morskih živali pa so vsem dobro znane. Obstoj neslišnih zvokov je bil odkrit z razvojem akustike ob koncu 19. stoletja. Hkrati so se začele tudi prve študije ultrazvoka, vendar so bili temelji njegove uporabe postavljeni šele v prvi tretjini 20. stoletja.

Spodnja meja ultrazvočnega območja se imenuje elastična nihanja s frekvenco 18 kHz. Zgornjo mejo ultrazvoka določa narava elastičnih valov, ki se lahko širijo le pod pogojem, da je valovna dolžina bistveno večja od proste poti molekul (v plinih) ali medatomskih razdalj (v tekočinah in plinih). V plinih zgornja meja je »106 kHz, v tekočinah in trdnih snoveh »1010 kHz. Praviloma se frekvence do 106 kHz imenujejo ultrazvok. Višje frekvence običajno imenujemo hiperzvok.

Ultrazvočni valovi se po svoji naravi ne razlikujejo od valov v slišnem območju in so podvrženi enakemu fizikalni zakoni. Toda ultrazvok ima posebne lastnosti, kar je določilo njegovo široko uporabo v znanosti in tehnologiji. Tu so glavne:

• Kratka valovna dolžina. Pri najnižjem ultrazvočnem območju valovna dolžina v večini medijev ne presega nekaj centimetrov. Kratka valovna dolžina določa žarkovno naravo širjenja ultrazvočnih valov. V bližini oddajnika se ultrazvok širi v obliki žarkov, ki so podobni velikosti oddajnika. Ko zadene nehomogenosti v mediju, se ultrazvočni žarek obnaša kot svetlobni žarek, doživlja odboj, lom in sipanje, kar omogoča oblikovanje zvočnih slik v optično neprozornih medijih s čisto optičnimi učinki (ostrenje, uklon itd.)
• Kratko obdobje nihanja, ki omogoča oddajanje ultrazvoka v obliki impulzov in izvajanje natančne časovne selekcije razširjajočih se signalov v mediju.
• Možnost pridobivanja visokih vrednosti vibracijske energije pri nizki amplitudi, ker energija vibracije je sorazmerna s kvadratom frekvence. To omogoča ustvarjanje ultrazvočnih žarkov in polj z visoko stopnjo energije, ne da bi potrebovali opremo velikih dimenzij.
• V ultrazvočnem polju se razvijejo znatni akustični tokovi. Zato vpliv ultrazvoka na okolje povzroča specifične učinke: fizikalne, kemične, biološke in medicinske. Kot so kavitacija, zvočni kapilarni učinek, disperzija, emulgiranje, razplinjevanje, dezinfekcija, lokalno ogrevanje in mnogi drugi.
• Ultrazvok je neslišen in ne povzroča nelagodja operativnemu osebju.

Zgodovina ultrazvoka. Kdo je odkril ultrazvok?

Pozornost na akustiko so vodile potrebe mornarica vodilni sili – Anglija Francija, saj akustični je edina vrsta signala, ki lahko v vodi potuje daleč. Leta 1826 Francoski znanstvenik Colladon določil hitrost zvoka v vodi. Colladonov poskus velja za rojstvo sodobne hidroakustike. Podvodni zvon v Ženevskem jezeru je bil udarjen ob hkratnem vžigu smodnika. Blisk smodnika je opazil Colladon na razdalji 10 milj. S pomočjo podvodne slušne cevi je slišal tudi zvok zvona. Z merjenjem časovnega intervala med tema dvema dogodkoma je Colladon izračunal hitrost zvoka na 1435 m/s. Razlika z sodobno računalništvo samo 3 m/s.

Leta 1838 so v ZDA prvič uporabili zvok za določanje profila morskega dna za namen polaganja telegrafskega kabla. Vir zvoka je bil, tako kot v Colladonovem poskusu, zvonec, ki je zvenel pod vodo, sprejemnik pa so bile velike slušne cevi, spuščene čez bok ladje. Rezultati poskusa so bili razočarani. Zvok zvona (kot tudi pok smodnikov v vodi) je dal prešibak odmev, skoraj neslišen med ostalimi zvoki morja. Treba je bilo iti v območje višjih frekvenc, ki omogočajo ustvarjanje usmerjenih zvočnih žarkov.

Prvi ultrazvočni generator leta 1883 izdelal Anglež Francis Galton. Ultrazvok je nastal kot piščalka na ostrini noža, ko pihnete vanjo. Vlogo takšne konice v Galtonovi piščalki je igral valj z ostrimi robovi. Zrak ali drug plin, ki je pod tlakom izhajal skozi obročasto šobo s premerom, ki je enak robu valja, je tekel na rob in prihajalo je do visokofrekvenčnih nihanj. S pihanjem vodika v piščalko je bilo mogoče doseči nihanje do 170 kHz.

Leta 1880 Pierre in Jacques Curie naredil odkritje, ki je bilo odločilno za ultrazvočno tehnologijo. Brata Curie sta opazila, da ob pritisku na kristale kremena, električni naboj, neposredno sorazmeren s silo, ki deluje na kristal. Ta pojav so poimenovali "piezoelektričnost". grška beseda, kar pomeni "pritisniti". Poleg tega so dokazali inverzni piezoelektrični učinek, ki se je pokazal pri hitrem spreminjanju električni potencial nanesena na kristal, zaradi česar le-ta vibrira. Odslej je tehnično možno izdelovati ultrazvočne oddajnike in sprejemnike majhnih dimenzij.

Smrt Titanika zaradi trka z ledeno goro, potreba po boju proti novemu orožju - podmornice zahteval hiter razvoj ultrazvočne hidroakustike. Leta 1914, francoski fizik Paul Langevin skupaj z nadarjenim ruskim izseljenskim znanstvenikom Konstantinom Vasiljevičem Šilovskim sta najprej razvila sonar, sestavljen iz ultrazvočnega oddajnika in hidrofona – sprejemnika ultrazvočnih nihanj, ki temelji na piezoelektričnem učinku. Sonar Langevin - Shilovsky, je bila prva ultrazvočna naprava, ki se uporablja v praksi. Istočasno je ruski znanstvenik S.Y. Sokolov razvil osnove ultrazvočne detekcije napak v industriji. Leta 1937 je nemški psihiater Karl Dussick skupaj s svojim bratom Friedrichom, fizikom, prvič uporabil ultrazvok za odkrivanje možganskih tumorjev, vendar so se rezultati, ki so jih dobili, izkazali za nezanesljive. IN zdravniška praksa Ultrazvok so začeli uporabljati šele v 50. letih 20. stoletja v ZDA.

Prejemanje ultrazvoka.

Ultrazvočne oddajnike lahko razdelimo v dve veliki skupini:

1) Nihanja vzbujajo ovire na poti toka plina ali tekočine ali prekinitev toka plina ali tekočine. Uporabljajo se v omejenem obsegu, predvsem za pridobivanje močnega ultrazvoka v plinastem okolju.

2) Nihanja se vzbujajo s pretvorbo v mehanska nihanja toka ali napetosti. Večina ultrazvočnih naprav uporablja oddajnike te skupine: piezoelektrične in magnetostrikcijske pretvornike.

Poleg pretvornikov, ki temeljijo na piezoelektričnem učinku, se za ustvarjanje močnega ultrazvočnega žarka uporabljajo magnetostrikcijski pretvorniki. Magnetostrikcija je sprememba velikosti teles, ko se le-ta spremenijo magnetno stanje. Jedro iz magnetostriktivnega materiala, nameščeno v prevodno navitje, spreminja svojo dolžino v skladu z obliko tokovnega signala, ki prehaja skozi navitje. Ta pojav, ki ga je leta 1842 odkril James Joule, je značilen za feromagnete in ferite. Najpogosteje uporabljeni magnetostrikcijski materiali so zlitine na osnovi niklja, kobalta, železa in aluminija. Največjo intenzivnost ultrazvočnega sevanja lahko doseže permendur zlitina (49% Co, 2% V, ostalo Fe), ki se uporablja v močnih ultrazvočnih oddajnikih. Še posebej tiste, ki jih proizvaja naše podjetje.

Uporaba ultrazvoka.

Različne uporabe ultrazvoka lahko razdelimo na tri področja:

• pridobivanje informacij o snovi
• učinek na snov
• obdelava in prenos signala

Odvisnost hitrosti širjenja in slabljenja akustični valovi o lastnostih snovi in ​​procesih, ki se v njih pojavljajo, se uporablja v naslednjih študijah:

• preučevanje molekularnih procesov v plinih, tekočinah in polimerih
• preučevanje zgradbe kristalov in drugih trdnih snovi
• nadzor kemijskih reakcij, faznih prehodov, polimerizacije itd.
• določanje koncentracije raztopine
• določanje trdnostnih lastnosti in sestave materialov
• ugotavljanje prisotnosti nečistoč
• določanje pretoka tekočine in plina

Merjenje hitrosti zvoka v trdnih snoveh omogoča določanje elastičnih in trdnostnih lastnosti konstrukcijskih materialov. Ta posredna metoda določanja trdnosti je priročna zaradi svoje preprostosti in možnosti uporabe v realne razmere.

Ultrazvočni analizatorji plina spremljajo kopičenje nevarnih nečistoč. Odvisnost ultrazvočne hitrosti od temperature se uporablja za brezkontaktno termometrijo plinov in tekočin.

Ultrazvočni merilniki pretoka, ki delujejo na Dopplerjev učinek, temeljijo na merjenju hitrosti zvoka v gibajočih se tekočinah in plinih, vključno z nehomogenimi (emulzije, suspenzije, kaše). Podobna oprema se uporablja za določanje hitrosti in pretoka krvi v kliničnih študijah.

Velika skupina merilnih metod temelji na odboju in sipanju ultrazvočnih valov na mejah med mediji. Te metode vam omogočajo natančno določitev lokacije tujkov v okolju in se uporabljajo na področjih, kot so:

• sonar
• nedestruktivno testiranje in odkrivanje napak
• medicinska diagnostika
• določanje ravni tekočine in drobljive trdne snovi v zaprtih posodah
• določanje velikosti izdelkov
• vizualizacija zvočnih polj - zvočni vid in akustična holografija

Odboj, lom in sposobnost fokusiranja ultrazvoka se uporabljajo pri ultrazvočni detekciji napak, v ultrazvočnih akustičnih mikroskopih, v medicinski diagnostiki in za preučevanje makronehomogenosti snovi. Prisotnost nehomogenosti in njihove koordinate se določijo z odbitimi signali ali s strukturo sence.

Merilne metode, ki temeljijo na odvisnosti resonančnih parametrov nihajni sistem na lastnosti medija, ki ga obremenjuje (impedanca), se uporabljajo za kontinuirano merjenje viskoznosti in gostote tekočin ter za merjenje debeline delov, ki so dostopni le z ene strani. Isti princip je osnova ultrazvočnih merilnikov trdote, nivojskih merilnikov in nivojskih stikal. Prednosti ultrazvočnih metod testiranja: kratek čas merjenja, možnost nadzora eksplozivnih, agresivnih in strupenih okolij, brez vpliva instrumenta na kontrolirano okolje in procese.

Vpliv ultrazvoka na snov.

Učinek ultrazvoka na snov, ki vodi do nepopravljivih sprememb v njej, se pogosto uporablja v industriji. Hkrati so mehanizmi vpliva ultrazvoka različni različna okolja. Pri plinih so glavni dejavnik delovanja zvočni tokovi, ki pospešujejo procese prenosa toplote in mase. Poleg tega je učinkovitost ultrazvočnega mešanja bistveno višja od običajnega hidrodinamičnega mešanja, ker mejna plast ima manjšo debelino in posledično večji temperaturni oziroma koncentracijski gradient. Ta učinek se uporablja v procesih, kot so:

• ultrazvočno sušenje
• zgorevanje v ultrazvočnem polju
• aerosolna koagulacija

Pri ultrazvočni obdelavi tekočin je glavni dejavnik delovanja kavitacija . Na učinku kavitacije temeljijo naslednji tehnološki procesi:

• ultrazvočno čiščenje
• metalizacija in spajkanje
• zvočno-kapilarni učinek - prodiranje tekočin v najmanjše pore in razpoke. Uporablja se za impregnacijo poroznih materialov in se pojavi med ultrazvočno obdelavo trdnih snovi v tekočinah.
• kristalizacija
• intenzifikacija elektrokemijskih procesov
• pridobivanje aerosolov
• uničenje mikroorganizmov in ultrazvočna sterilizacija instrumentov

Akustični tokovi- eden glavnih mehanizmov vpliva ultrazvoka na snov. Nastane zaradi absorpcije ultrazvočne energije v snov in v mejni sloj. Akustični tokovi se od hidrodinamičnih razlikujejo po majhni debelini mejne plasti in možnosti njenega tanjšanja z naraščajočo frekvenco nihanja. To vodi do zmanjšanja debeline temperaturne ali koncentracijske mejne plasti in povečanja temperaturnih ali koncentracijskih gradientov, ki določajo hitrost prenosa toplote ali mase. To pomaga pospešiti procese zgorevanja, sušenja, mešanja, destilacije, difuzije, ekstrakcije, impregnacije, sorpcije, kristalizacije, raztapljanja, razplinjevanja tekočin in talin. V potoku z visoka energija vpliv akustičnega valovanja se izvaja zaradi energije samega toka, s spreminjanjem njegove turbulence. V tem primeru je lahko zvočna energija le delček odstotka energije toka.

Pri prehodu zvočnega valovanja visoke intenzivnosti skozi tekočino nastane t.i akustična kavitacija . V intenzivnem zvočnem valovanju se v polčasih redčenja pojavijo kavitacijski mehurčki, ki se pri prehodu v območje visokega tlaka močno sesedejo. V območju kavitacije nastanejo močne hidrodinamične motnje v obliki mikroudarnih valov in mikrotokov. Poleg tega kolaps mehurčkov spremlja močno lokalno segrevanje snovi in ​​sproščanje plina. Takšna izpostavljenost vodi do uničenja celo tako trpežnih snovi, kot sta jeklo in kremen. Ta učinek se uporablja za razprševanje trdnih snovi, izdelavo finih emulzij tekočin, ki se ne mešajo, vzbujanje in pospeševanje kemičnih reakcij, uničevanje mikroorganizmov, ekstrakcijo iz živali in rastlinske celice encimi. Kavitacija določa tudi takšne učinke, kot je šibek sij tekočine pod vplivom ultrazvoka - sonoluminiscenca in nenormalno globoko prodiranje tekočine v kapilare - sonokapilarni učinek .

Kavitacijska disperzija kristalov kalcijevega karbonata (kamenca) je osnova akustičnih naprav proti vodnemu kamnu. Pod vplivom ultrazvoka se delci v vodi razcepijo, njihova povprečna velikost se zmanjša z 10 na 1 mikron, njihovo število se poveča in skupna površina površine delcev. To vodi do prenosa procesa nastajanja vodnega kamna s površine za izmenjavo toplote neposredno v tekočino. Ultrazvok vpliva tudi na nastalo plast vodnega kamna in v njej tvori mikrorazpoke, ki prispevajo k odlomu koščkov vodnega kamna s površine izmenjave toplote.

V ultrazvočnih čistilnih napravah se s pomočjo kavitacije in mikrotokov, ki jih ta ustvari, odstranijo onesnaževalci, tako trdno vezani na površino, kot so lestvica, lestvica, brazde, kot mehki onesnaževalci, kot so mastni filmi, umazanija itd. Enak učinek se uporablja za intenziviranje elektrolitskih procesov.

Pod vplivom ultrazvoka se pojavi tako radoveden učinek kot akustična koagulacija, tj. konvergenca in večanje suspendiranih delcev v tekočini in plinu. Fizični mehanizem tega pojava še ni povsem jasen. Akustična koagulacija se uporablja za odlaganje industrijskega prahu, hlapov in meglic pri frekvencah, nizkih za ultrazvok, do 20 kHz. Možno je, da so blagodejni učinki zvonjenja cerkveni zvonovi na podlagi tega učinka.

Mehanska obdelava trdnih snovi z ultrazvokom temelji na naslednjih učinkih:

• zmanjšanje trenja med površinami med ultrazvočnimi vibracijami ene od njih
• zmanjšanje meje tečenja oz plastična deformacija pod vplivom ultrazvoka
• krepitev in zmanjšanje zaostalih napetosti v kovinah pod vplivom orodja z ultrazvočno frekvenco
• Kombinirani učinki statične kompresije in ultra zvočne vibracije uporabljajo pri ultrazvočnem varjenju

Obstajajo štiri vrste obdelave z ultrazvokom:

• dimenzijska obdelava delov iz trdih in krhkih materialov
• rezanje težko rezljivih materialov z ultrazvočno aplikacijo na rezalno orodje
• razigljevanje v ultrazvočni kopeli
• mletje viskoznih materialov z ultrazvočnim čiščenjem brusa

Učinki ultrazvoka na bioloških predmetov povzroča različne učinke in reakcije v telesnih tkivih, kar se pogosto uporablja v ultrazvočni terapiji in kirurgiji. Ultrazvok je katalizator, ki pospeši vzpostavitev ravnotežnega, s fiziološkega vidika, stanja telesa, tj. zdravo stanje. Ultrazvok ima veliko večji učinek na obolela tkiva kot na zdrava. Uporablja se tudi ultrazvočno pršenje zdravila med vdihavanjem. Ultrazvočna kirurgija temelji na naslednjih učinkih: destrukcija tkiva s samim fokusiranim ultrazvokom in aplikacija ultrazvočnih vibracij na rezalni kirurški instrument.

Ultrazvočne naprave se uporabljajo za pretvorbo in analogno obdelavo elektronskih signalov ter za krmiljenje svetlobnih signalov v optiki in optoelektroniki. Ultrazvok nizke hitrosti se uporablja v zakasnitvenih linijah. Nadzor optičnih signalov temelji na uklonu svetlobe z ultrazvokom. Ena od vrst takšne difrakcije, tako imenovana Braggova difrakcija, je odvisna od valovne dolžine ultrazvoka, kar omogoča izolacijo ozkega frekvenčnega intervala iz širokega spektra svetlobnega sevanja, tj. filtrirna svetloba.

Ultrazvok je izredno zanimiva stvar in domnevamo lahko, da mnoge njegove praktične uporabe človeštvu še niso znane. Ljubimo in poznamo ultrazvok in z veseljem bomo razpravljali o vseh idejah v zvezi z njegovo uporabo.

Kje se uporablja ultrazvok - zbirna tabela

Naše podjetje, Koltso-Energo LLC, se ukvarja s proizvodnjo in montažo akustičnih naprav proti vodnemu kamnu "Acoustic-T". Naprave, ki jih proizvaja naše podjetje, se odlikujejo z izjemno visoko stopnjo ultrazvočnega signala, ki jim omogoča delovanje na kotlih brez priprave vode in parno-vodnih kotlih z arteško vodo. Toda preprečevanje vodnega kamna je zelo majhen del tega, kar lahko naredi ultrazvok. To čudovito naravno orodje ima ogromne možnosti in o njih vam želimo povedati. Zaposleni v našem podjetju že vrsto let delajo v vodilnih ruskih podjetjih, ki se ukvarjajo z akustiko. O ultrazvoku vemo veliko. In če se nenadoma pojavi potreba po uporabi ultrazvoka v vaši tehnologiji,

MINISTRSTVO ZA IZOBRAŽEVANJE REGIJE RYAZAN

Regionalni državni proračun

Strokovna izobraževalna ustanova

"Rjazan učiteljišče»

PROJEKT INDIVIDUALNEGA USPOSABLJANJA

V akademski disciplini "Fizika"

Tema: "Ultrazvok in infrazvok v človekovem življenju"

Izpolnila: Vasiljeva

Alena Nikolaevna

Posebnost: 44.02.02 Poučevanje

IN osnovna šola

Skupina: 11š

Vodja: Galkina

Natalia Evgenievna

Uvod.

Za temo Ultrazvok in infrazvok v človekovem življenju sem se odločila, ker se mi zdi zelo zanimiva in uporabna.

Infrazvok in ultrazvok sta izven območja frekvenc, ki povzročajo zvočne občutke.

Infrazvoki ali elastični valovi s frekvenco 16 Hz in manj se pojavijo v različnih pogojih – ko jih piha veter razne predmete, vibracije z zadostno amplitudo obdelovalnih strojev, telesa premikajočega se avtomobila, delujočega letalskega motorja itd. Človeški slušni organi ne zaznavajo infrazvokov, ampak telo kot celota reagira nanje, zato je potreba po podrobnem preučevanju takšnih vibracij razumljiva. Raziskave infrazvoka so se začele relativno nedavno in trenutno ni koherentne teorije za navedeno območje elastičnih valov. Naloga preučevanja infrazvoka je zapletena zaradi posebnosti njihovega vpliva na naprave in žive organizme. Torej, notranji organiČlovek ima svoje frekvence nihanja (resonančne frekvence) od 6 do 8 Hz, zato lahko izpostavljenost infrazvočnim nihanjem zadostne amplitude povzroči neprijetne in celo boleče občutke. Zato je ena od nalog raziskovanja infrazvoka povezana z ugotavljanjem stopnje vpliva nizkofrekvenčnih vibracij na živčevje, srčno-žilni sistem osebo, na njegovo delovanje.

Ultrazvok se uporablja za učinkovito čiščenje površin, delov in mehanskih komponent pred različnimi onesnaževalci, sledovi korozije itd. Tako se s pomočjo ultrazvočnih naprav očistijo deli olja, sledi vodnega kamna in očisti dno ladje, poleg tega pa zaščitna ultrazvočna napeljava preprečuje, da bi dno morskega plovila umazali razni morski organizmi in rastline; organizme, s čimer se ohranijo operativne lastnosti ladje. S pomočjo ultrazvoka čistijo zrak pred onesnaženostjo, padajočimi delci nečistoč, uporabljajo ultrazvok za boj proti megli itd.

Ultrazvok se pogosto uporablja tudi pri pospeševanju številnih tehnoloških procesov, kjer je uporaba drugih metod otežena. Na primer, pri varjenju ali spajkanju tankih folij ali žic je ultrazvok tisti, ki omogoča kakovostne povezave. Več o vsem tem vam bom povedal v glavnem delu projekta.

Cilj projekta:

Seznani se s pojmoma ultrazvok in infrazvok. Zapomnite si, kje se uporabljajo. Ugotovite vpliv ultra in infra zvoka na človeško telo.

Cilji projekta:

1. Preučite gradivo na temo "Vpliv ultrazvoka in infrazvoka na človeško telo"

2. Znati uporabiti preučeno snov v življenju.

Ultrazvok in infrazvok v človekovem življenju.

Vpliv ultrazvoka.

Ultrazvok so zvočni valovi, ki imajo višjo frekvenco od tiste, ki jo zaznava človeško uho; ultrazvok običajno pomeni frekvence nad 20.000 hercev.

Poseben občutek, ki ga zaznamo kot zvok, je posledica vpliva na človeški slušni sistem. nihajno gibanje elastični medij - najpogosteje zrak. Vendar pa vse vibracije medija, ki dosežejo uho, ne povzročijo občutka zvoka. Spodnja meja slišnega zvoka so tresljaji s frekvenco 20 nihajev na sekundo (20 Hz), zgornja meja pa med 16.000 in 20.000 Hz. Položaj teh meja je podvržen posameznim spremembam.

Področje uporabe ultrazvoka

Zunaj navedenega frekvenčnega območja obstajajo tudi nihajni procesi, ki se fizično ne razlikujejo od zvočnih tresljajev in valov, vendar jih uho ne zaznava kot zvoke. Nihanja medija z višjimi frekvencami zgornja meja sluha, reda velikosti deset in sto tisoč hercev, običajno imenujemo ultrazvok.

V zadnjih letih je ultrazvok našel široko uporabo v nacionalno gospodarstvo, biologije in medicine. V ZDA je na primer trenutno na milijone ultrazvočnih naprav.

Industrija uporablja ultrazvok, katerega frekvenca je milijardkrat večja od intenzivnosti slišnih zvokov okoli nas. Ultrazvok je lahko fokusiran in ustvari zelo visok lokalni pritisk. Ultrazvok lahko zdrobi snovi in ​​pospeši kemične reakcije. Ultrazvok je sposoben vnesti vodo v koloide. S pomočjo ultrazvoka se znatno pospešijo procesi strojenja usnja, barvanja, beljenja in pranja tkanin, proizvodnje sintetičnih vlaken, usnjenih nadomestkov in plastike. Ultrazvok se uporablja za odkrivanje napak, kar omogoča ugotavljanje notranjih napak v delih, za čiščenje kotlov iz lestvice, podvodnih površin ladij, za kositranje z aluminijem, posrebrenje itd. Ultrazvok je našel uporabo v proizvodnji plavžev, v vodni promet, v ribištvu in geologiji.

Ultrazvok se uporablja v medicini za diagnostične namene (odkrivanje tujkov), v zobozdravstvu (svdri), za izdelavo emulzij zdravilnih učinkovin itd.

Trenutno se ultrazvok nizke intenzivnosti pogosto uporablja v terapevtske namene.

Ultrazvok je zapleten in izrazit biološki učinek, katerega bistvo še ni dovolj razjasnjeno. Zdi se, da je to delovanje odvisno predvsem od ogromnih lokalnih pritiskov, ustvarjenih v tkivih in na lokalnem toplotni učinek povezana z absorpcijo energije med dušenjem tresljajev. Tekočine in plini absorbirajo ultrazvok, trdne snovi pa ga dobro prevajajo. Kosti so tudi dobri prevodniki ultrazvoka.

Tri glavna področja uporabe ultrazvoka v medicini so ultrazvočna diagnostika, »ultrazvočni skalpel« in ultrazvočna fizioterapija. Začnimo zgodbo z zadnjima dvema.

»Ultrazvočni skalpel« se uporablja predvsem tam, kjer je potrebna natančna in omejena izpostavljenost, kjer lahko vsak dodatni milimeter uničenega tkiva povzroči hude posledice, kot na primer pri kirurškem zdravljenju očesnih bolezni, plastični kirurgiji obraza itd. Fokusiranje ultrazvoka na majhnem, določenem območju omogoča vpliv na globoko ležeče strukture telesa. To je še posebej pomembno pri izvajanju nevrokirurških operacij na možganih, med operacijami za uničenje pomožnih poti srca. Z večanjem frekvence ultrazvoka postane njegovo delovanje izjemno lokalizirano. Na primer, pri frekvenci 4 MHz lahko uničimo območje tkiva s prostornino le 0,05 mm3, okoliško tkivo pa ostane nepoškodovano.

Za zdravljenje očesnih bolezni so ultrazvok prvi uporabili zdravniki na Odesskem raziskovalnem inštitutu za očesne bolezni in tkivno terapijo poimenovan po. V. P. Filatov, znan po razvoju številnih novih metod za zdravljenje motnosti roženice, katarakte travmatičnega izvora, odstop mrežnice itd. Nizkofrekvenčni ultrazvok s frekvenco 20-40 kHz je bil uporabljen tudi za razširitev solznega kanala, kot pri operacijah na roženici.

Operacijo sive mrene (zamegljenost leče) običajno opravimo šele po njenem dozorevanju, ko je vid že popolnoma izgubljen. V naravnih razmerah ta proces včasih traja več let. »Sondiranje« z ultrazvokom pospeši do nekaj minut, kar omogoča, da se operacija izvede v krajšem času. zgodnji datumi in z najboljše rezultate. Za izvedbo te operacije je bil razvit originalni ultrazvočni instrument v obliki votle igle debeline 1 mm, obdane s tanko silikonsko ovojnico in povezane z ultrazvočnim generatorjem. Ko opazuje gibanje igle skozi mikroskop, jo kirurg približa leči in vklopi ultrazvok. Pod vplivom ultrazvoka se po nekaj trenutkih motna leča utekočini. Nastala tekočina se izpere iz kapsule z raztopino razkužila, ki vstopa skozi režo med iglo in njenim ohišjem, in se izsesa skozi notranji kanal igle. Pooperativno obdobje po taki operaciji se znatno skrajša.

Fokusirani ultrazvok je bil uporabljen za odložitev potencialno oslepljivega odstopa mrežnice. Njegov ciljni učinek na več točkah fiksira mrežnico na spodaj ležeča tkiva. V mnogih primerih ultrazvok pomaga preprečiti operacijo glavkoma. Glavni simptom te bolezni je povečan intraokularni tlak. Očesna beločnica se "sondira" z ultrazvokom na več točkah, nato pa se intraokularni tlak zmanjša. Glede na Ameriški zdravniki, je ta metoda učinkovita v 80% primerov.

Destruktivni učinek ultrazvoka se uporablja tudi za odstranjevanje krvnih strdkov iz velikih žil. Skozi luknjo, narejeno s posebno iglo, kirurg v žilo vstavi tanek ultrazvočni valovod in ga previdno premika proti krvnemu strdku. Po 10-12 sekundah "sondiranja" tromb preneha obstajati, nastala tekoča vsebina pa se izpere iz lumna posode in izsesa skozi isto iglo. Orodje se odstrani in luknja se "zalepi" z ultrazvočnim varom.

Ultrazvok se uporablja tudi pri kirurškem zdravljenju bolezni ušesa, nosu in grla. Operacije odstranitve oteklega tkiva s kronično vnete nosne sluznice in korekcije ukrivljenega nosnega pretina se v večini primerov izvajajo s skalpelom, dletom in kladivom. Kasneje so razvili ultrazvočno opremo za to operacijo. Ultrazvočni instrument je omogočil nekrvavo, skoraj nebolečo in poleg tega večkratno hitrejšo izvedbo. Ista skupina ruskih zdravnikov je razvila ultrazvočni skalpel za izvajanje traheotomije (rezanje sapnika). Ta operacija se običajno izvaja iz zdravstvenih razlogov - v primeru nenadnega pojava zadušitve. Tukaj je vsak trenutek dragocen, z uporabo ultrazvoka pa lahko prihranimo kar 10 minut.

Po mnenju mnogih zdravnikov ultrazvočna metoda nedvomno širi možnosti kirurško zdravljenje bolniki z različnimi patologijami pljuč in poprsnice. Zdravniki izvajajo operacijo prsnega koša z ultrazvokom. Ultrazvočni instrument prereže in poveže prsnico, rebra, bronhije in bougienazira zožene arterije. V prakso se uvajajo dolgi fleksibilni ultrazvočni valovod za manipulacije na sapniku in bronhih, ki jih je prvič na svetu razvila skupina sovjetskih znanstvenikov. Dirigirano eksperimentalne študije s povezovanjem pladnjevega tkiva in zapiranjem bronhialne krne z ultrazvokom.

Znanstveniki so razvili in uporabili ultrazvočno metodo rezanja in spajanja kostno tkivo z uporabo ultrazvočnega varjenja - najprej v številnih poskusih na živalih, kasneje pa še v kliniki. Za rezanje kosti z navadno žago je potrebno odluščiti mehko tkivo na precej veliki površini, pri ultrazvočni žagi pa je to še posebej pomembno, če luknja premera 1 cm med kraniotomijo, resekcijo reber itd.

Metoda ultrazvočne površine kostnega tkiva je sestavljena iz dejstva, da se votlina, ki nastane v kosti po odstranitvi patološkega žarišča, napolni s kostnimi drobci, ki so impregnirani s posebnim polnilnim materialom in "zvočeni" z ultrazvokom. Po »sondiranju« se celotna ta gmota spremeni v konglomerat, trdno zraščen s kostjo. Ultrazvok se uporablja tudi za povezovanje tkiv jeter, vranice in endokrinih žlez.

Ultrazvočne naprave se že vrsto let uporabljajo v zobozdravstvu za odstranjevanje zobnega kamna, v zadnjih letih pa tudi za zdravljenje kariesa in njegovih zapletov. Med delovni del ultrazvočnega vibratorja in zob je nameščen abraziv (aluminijev oksid, bor itd. prah, suspendiran v vodi). Abrazivni delci, ki zadenejo zobno tkivo, postopoma odstranijo plast za plastjo iz njega. Nastala votlina reproducira obliko konca vibratorja. Njegove stene so gladko polirane. Boljša je tudi kakovost polnila, saj se pod vplivom »sondiranja« spremeni struktura in poveča gostota polnilnega materiala. Ultrazvočno zdravljenje zob je tiho. Nastajanje toplote in s tem segrevanje zoba je šibkejše kot pri vrtanju z vrtljivim svedrom. Zato je bolečina pri večini bolnikov odsotna ali minimalna. IN v tem primeru Ta nedvomna prednost ultrazvoka se spremeni v njegovo pomanjkljivost. Pri skoraj nebolečem ultrazvočnem zdravljenju pulpitisa je zdravniku težko določiti trenutek približevanja živcu. Zato lahko ultrazvočne vrtalnike uporabljajo samo izkušeni strokovnjaki.

Drobljenje ultrazvoka se lahko uporablja tudi za uničenje sečničnih kamnov. Ultrazvočno orodje zdrobi kamen v 5-60 sekundah, odvisno od velikosti in gostote kamna.

Ultrazvočni skalpel ne po videzu ne po načelu delovanja ni podoben kirurškemu. Navzven spominja na miniaturno dvostopenjsko raketo, ki se zlahka prilega vaši roki. Njegova prva stopnja vsebuje ultrazvočni vibrator, katerega delovanje temelji na principu magnetostrikcije (iz latinske besede "strictio" - stiskanje).

Bistvo pojava magnetostrikcije je v tem, da nekatere kovine, ko so izpostavljene magnetnemu polju, spremenijo svoje geometrijske dimenzije. Če okoli palice iz takšnega feromagnetnega materiala navijemo bakreno žico in skozi njo spustimo izmenični tok s frekvenco, ki ustreza ultrazvočnim frekvencam, bo palica spreminjala svoje dimenzije pri isti frekvenci. Ker je amplituda sprememb velikosti vibratorja zelo majhna, je ultrazvočni koncentrator (druga stopnja "rakete") zasnovan za njeno ojačanje. Koncentrator se zoži od podnožja proti vrhu, katerega razpon nihanja je desetkrat večji od razpona podnožja, ki spreminja položaj skupaj z vibratorjem. Amplituda nihanja vrha koncentratorja doseže 50-60 mikronov, frekvenca pa 25-50 kHz. Ultrazvočni skalpel deluje kot ostra mikrožaga. Zaradi energije ultrazvočnih tresljajev loči tkivo na mejah stika celičnih membran, skoraj brez poškodb samih celic, kar prispeva k boljšemu in hitrejšemu celjenju. Z rahlim zasukom instrumenta in s tem spreminjanjem smeri ultrazvočnega žarka lahko spremenite smer reza brez razširitve kirurškega pristopa. Pri rezanju tkiva ultrazvok ustavi kapilarno krvavitev. Pomembno je tudi, da uporaba ultrazvoka bistveno zmanjša bolečino kirurškega posega.

Kirurška ultrazvočna tehnologija je zdaj del arzenala praktično medicino. Uporablja se skupaj s tradicionalnimi kirurškimi instrumenti, elektrokoagulacijo, laserjem in drugimi metodami, ob upoštevanju značilnosti bolezni, indikacij in kontraindikacij. Z izboljševanjem in povečevanjem proizvodnje ultrazvočne opreme za kirurške posege se bo širila tudi njena uporaba v praksi.

Osnova so bili fizikalni pojavi, ki nastanejo pri vplivu ultrazvoka na tekočine nova tehnika zdravljenje ran, ki so ga razvili ruski znanstveniki. V rano se injicirajo raztopine antibiotikov ali antiseptikov, ki jih "zvoči" z ultrazvočnim valovodom. Ultrazvočno obdelana tekočina odstrani odmrlo tkivo, masira površino rane in izboljša prekrvavitev v njej. Izboljša se tudi difuzija zdravilnih učinkovin, zmanjša se bolečina pri prevezi, zmanjša se bakterijska kontaminacija rane, kar prispeva k hitrejšemu in bolj gladkemu celjenju. Čas zdravljenja takih bolnikov v bolnišnici se opazno skrajša.

Posebno področje uporabe ultrazvoka v medicini je ultrazvočna fizioterapija.

Mehanizem fiziološkega učinka terapevtskega ultrazvoka na tkivo živega organizma še ni povsem pojasnjen. Običajno ločimo tri glavne dejavnike vpliva ultrazvoka: mehanski, toplotni in fizikalno-kemični. Mehanski učinek je sestavljen iz vibracijske mikromasaže tkiv na celičnem in podceličnem nivoju, s čimer se poveča prepustnost celičnih membran in metabolizem v celicah in tkivih telesa. Toplotni učinek ultrazvok pri nizki jakosti, ki se uporablja v terapevtske namene, je nepomemben. Toplota se lahko akumulira predvsem v tkivih, ki najbolj absorbirajo ultrazvočno energijo (živčevje, kosti), pa tudi na mejah okolij z različno zvočno upornostjo (na meji kosti in mehkih tkiv) ter na mestih z nezadostno prekrvavitvijo.

Fizikalno-kemijski učinek ultrazvoka je predvsem posledica dejstva, da uporaba akustične energije povzroči mehanska resonanca v snovi živih tkiv. Hkrati se pospeši gibanje molekul, poveča se njihov razpad na ione, spremeni se električno stanje celic in pericelularne tekočine, nastanejo nova električna polja in difuzija skozi biološke membrane, presnovni procesi se aktivirajo,

Ko je koža izpostavljena ultrazvoku, se izboljša njena barierno-zaščitna funkcija, poveča se aktivnost žlez znojnic in lojnic, aktivirajo se procesi regeneracije. Zanimivo, občutljivost kože različna področja telesa na ultrazvok ni enak: v predelu obraza in trebuha je višji kot v predelu okončin.

Pri izpostavljenosti ultrazvoku na živčni sistem z močjo 0,5 W/cm2. hitrost vzbujanja vzdolž živčnih vlaken se poveča, pri večji intenzivnosti pa - 1 W/cm2. - se zmanjša. Ultrazvok zmerne intenzivnosti ima antispazmodični učinek - lajša krče bronhijev, žolčnih in sečnih poti, črevesja, pospešuje uriniranje. Pod njegovim vplivom se normalizira vaskularni tonus, izboljša se prekrvavitev tkiv in poveča njihova absorpcija kisika.

Ultrazvok se uporablja za zdravljenje kroničnega tonzilitisa. Prizadete mandlje "sondiramo" z ultrazvokom nizke intenzivnosti, zaradi česar se zmanjša aktivnost patogenih mikroorganizmov, izboljša se prehrana tkiv in aktivirajo imunobiološki procesi. Posledično takšno ambulantno zdravljenje pomaga ohraniti mandlje, ki igrajo pomembno vlogo pri obrambne reakcije telo. Rostovski zdravniki so razvili izvirno metodo ultrazvočne masaže oči. Po vkapanju anestetika se na pacientovo oko namesti obročast okvir in vklopi ultrazvok. Po ducatih sej takšne ultrazvočne masaže pri bolnikih z začetna oblika glavkom, intraokularni tlak se normalizira.

V ginekologiji se ultrazvok uporablja za zdravljenje erozije materničnega vratu. Že po dveh ali treh ultrazvočnih posegih, opravljenih v razmaku 1-2 dni, se je erozija začela celiti, po enem mesecu pa je pri večini pacientk popolnoma izginila.

Ena od specializacij ultrazvočne terapije je zdravljenje adenoma prostate. Ta bolezen prizadene predvsem starejše moške. Zdravljenje je v večini primerov kirurško. Uporaba ultrazvočne terapije za adenom prostate in prostatitis daje dober rezultat: po več posegih je bolečina pacientov skoraj popolnoma izginila, uriniranje se je normaliziralo, splošno stanje pa se je izboljšalo. "Sondiranje", izvedeno po operaciji odstranitve žleze, prispeva k boljšemu poteku pooperativnega obdobja.

Ultrazvočna terapija se najpogosteje uporablja pri osteohondrozi, artrozi, radikulitisu in drugih boleznih perifernega živčnega sistema in mišično-skeletnega sistema.

Ultrazvočno zdravljenje ni priporočljivo pri akutnih nalezljivih boleznih, angini pektoris, srčni anevrizmi, hipertenziji stopnje II B in III, boleznih krvi, nagnjenosti h krvavitvam in tudi med nosečnostjo. Prej je bila kontraindikacija tudi prisotnost malignih tumorjev. Ampak v v zadnjem času Preučuje se vprašanje uporabe ultrazvočne terapije za njihovo zdravljenje, tako ločeno kot v kombinaciji z radioterapijo.

Včasih se ultrazvok uporablja v kombinaciji z različnimi zdravilnimi učinkovinami. Ta metoda se imenuje fonoforeza, čeprav bi bilo pravilneje, da bi jo imenovali ultrafonoforeza. Metoda temelji na povečanju prepustnosti kože, sluznic, celičnih membran in izboljšanju lokalne mikrocirkulacije pod vplivom ultrazvoka. Vse to pomaga pri vnosu številnih zdravilnih snovi skozi kožo in sluznico.

Trenutno se uporablja fonoforeza številnih zdravil, kot so hidrokortizon, analgin, aminazin, interferon, komplamin, heparin, ekstrakt aloe, FiBS, številni antibiotiki itd. Vendar je bilo ugotovljeno, da nekatera zdravila, na primer aminofilin, askorbinska kislina, tiamin (vitamin B1) in drugi, ko jih ultrazvok "sondi", bodisi ne prodrejo v telo ali pa se uničijo. Včasih med fonoforezo kožo ali sluznico najprej ultrazvočno preslikamo, nato pa po odstranitvi kontaktnega medija nanesemo zdravilno učinkovino v obliki losjona ali mazila. Toda pogosteje se postopek izvaja na enak način kot običajno ultrazvočno obsevanje. Zdravilne učinkovine najprej nanesemo na površino kože ali sluznice v obliki vodna raztopina, emulzije ali mazila. Služijo tudi kot kontaktni medij med točkovanjem. Pri fonoforezi, pa tudi pri "sondiranju" brez uporabe zdravil, se uporabljata dve tehniki: stabilna in labilna. Pri prvem je vibrator med posegom negiben, pri drugem pa se počasi premika po površini kože ali sluznice.

V zadnjih letih so preučevali možnosti uporabe ultrafonopunkture, fokusiranega ultrazvoka, biokontroliranega in biosinhroniziranega ultrazvoka. Obseg ultrazvočne terapije se še naprej širi.

Ultrazvok - mehanske vibracije, ki se nahaja nad frekvenčnim območjem, ki ga sliši človeško uho (običajno 20 kHz). Ultrazvočne vibracije potujejo v valovnih oblikah, podobno kot širjenje svetlobe. Vendar pa za razliko od svetlobnih valov, ki lahko potujejo v vakuumu, ultrazvok zahteva elastičen medij, kot je plin, tekočina ali trdna snov.

, (3)

Za prečne valove se določi s formulo

Zvočna disperzija- zasvojenost fazna hitrost enobarvni zvočni valovi na njihovo frekvenco. Disperzijo hitrosti zvoka lahko določimo kot fizikalne lastnosti okolje ter prisotnost tujih vključkov v njem in prisotnost meja telesa, v katerem se širi zvočni val.

Vrste ultrazvočnih valov

Večina ultrazvočnih tehnik uporablja vzdolžne ali strižne valove. Obstajajo tudi druge oblike širjenja ultrazvoka, vključno s površinskimi valovi in ​​Lambovimi valovi.

Longitudinalni ultrazvočni valovi– valovi, katerih smer širjenja sovpada s smerjo premikov in hitrosti delcev medija.

Transverzalni ultrazvočni valovi– valovanje, ki se širi v smeri, pravokotni na ravnino, v kateri ležijo smeri premikov in hitrosti delcev telesa, enako kot strižni valovi.

Površinsko (Rayleighovo) ultrazvočno valovanje imajo eliptično gibanje delcev in se razprostirajo po površini materiala. Njihova hitrost je približno 90 % hitrosti širjenja strižnih valov, njihov prodor v material pa je enak približno eni valovni dolžini.

Jagnječji val- elastični val, ki se širi v trdni plošči (plasti) s prostimi mejami, v katerem se nihajni premik delcev pojavi tako v smeri širjenja valov kot pravokotno na ravnino plošče. Lambovi valovi so ena od vrst normalnih valov v elastičnem valovodu - v plošči s prostimi mejami. Ker ti valovi morajo zadostiti ne samo enačbam teorije elastičnosti, ampak tudi robnim pogojem na površini plošče; njihove lastnosti so bolj zapletene kot lastnosti valov v neomejenih trdnih telesih.

Vizualizacija ultrazvočnih valov

Za ravninski sinusoidni potujoči val je jakost ultrazvoka I določena s formulo

, (5)

IN sferični potujoči val Jakost ultrazvoka je obratno sorazmerna s kvadratom oddaljenosti od vira. IN stoječi val I = 0, kar pomeni, da v povprečju ni pretoka zvočne energije. Intenzivnost ultrazvoka v harmonično ravno potujoče valovanje enaka energijski gostoti zvočnega vala, pomnoženi s hitrostjo zvoka. Za tok zvočne energije je značilen t.i Umov vektor- vektor gostote energijskega pretoka zvočnega valovanja, ki ga lahko predstavimo kot zmnožek jakosti ultrazvoka in valovnega normalnega vektorja, tj. enotski vektor, pravokotno na fronto valov. Če je zvočno polje superpozicija harmonični valovi različne frekvence, potem za vektor povprečne gostote pretoka zvočne energije obstaja aditivnost komponent.

Za oddajnike, ki ustvarjajo ravni val, govorijo o intenzivnost sevanja, kar pomeni s tem gostota moči oddajnika, tj. sevana zvočna moč na enoto površine sevalne površine.

Jakost zvoka se meri v enotah SI v W/m2. V ultrazvočni tehnologiji je obseg sprememb jakosti ultrazvoka zelo velik - od mejnih vrednosti ~ 10 -12 W/m2 do več sto kW/m2 v žarišču ultrazvočnih koncentratorjev.

Tabela 1 - Lastnosti nekaterih pogostih materialov

Slabljenje ultrazvoka

Ena od glavnih značilnosti ultrazvoka je njegovo slabljenje. Slabljenje ultrazvoka je zmanjšanje amplitude in s tem zvočnega vala, ko se širi. Slabljenje ultrazvoka se pojavi zaradi številnih razlogov. Glavni so:

Prvi od teh razlogov je posledica dejstva, da se energija, ki jo oddaja vir, razporedi po vse večji površini fronte valovanja, ko se val širi iz točkovnega ali sferičnega vira, in v skladu s tem energijski tok skozi enoto površina se zmanjša, tj. . Za sferični val, valovna površina ki narašča z razdaljo r od vira kot r 2 , se amplituda valovanja zmanjšuje sorazmerno z in za cilindrični val- sorazmerno.

Koeficient dušenja je izražen v decibelih na meter (dB/m) ali v decibelih na meter (Np/m).

Za ravninski val je koeficient slabljenja amplitude z razdaljo določen s formulo

, (6)

Določi se koeficient slabljenja glede na čas

, (7)

Enota dB/m se v tem primeru uporablja tudi za merjenje koeficienta

, (8)

Decibel (dB) – logaritemska enota meritve razmerij energije ali moči v akustiki.

, (9)

• kjer je A 1 amplituda prvega signala,
• A 2 – amplituda drugega signala

Potem bo razmerje med merskima enotama (dB/m) in (1/m) naslednje:

Odboj ultrazvoka od vmesnika

Ko zvočni val pade na vmesnik, se bo del energije odbil v prvi medij, preostanek pa bo prešel v drugi medij. Razmerje med odbito energijo in energijo, ki prehaja v drugi medij, je določeno z valovno impedanco prvega in drugega medija. V odsotnosti disperzije hitrosti zvoka karakteristična impedanca ni odvisen od valovne oblike in je izražen s formulo:

Koeficienti refleksije in prenosa bodo določeni na naslednji način

, (12)

, (13)

• kjer je D koeficient prenosa zvočnega tlaka

Omeniti velja tudi, da če je drugi medij akustično »mehkejši«, tj. Z 1 >Z 2, potem se ob odboju faza valovanja spremeni za 180˚.

Koeficient prenosa energije iz enega medija v drugega je določen z razmerjem med intenzivnostjo valovanja, ki prehaja v drugi medij, in intenzivnostjo vpadnega vala.

, (14)

Interferenca in difrakcija ultrazvočnih valov

Zvočne motnje- neenakomerna prostorska porazdelitev amplitude nastalega zvočnega valovanja v odvisnosti od razmerja med fazami valov, ki se razvijejo na eni ali drugi točki prostora. Ko dodamo harmonične valove iste frekvence, nastala prostorska porazdelitev amplitud tvori časovno neodvisen interferenčni vzorec, ki ustreza spremembi fazne razlike komponentnih valov pri premikanju od točke do točke. Za dva moteča vala ima ta vzorec na ravnini obliko izmeničnih pasov ojačanja in slabljenja amplitude vrednosti, ki označuje zvočno polje (na primer zvočni tlak). Pri dveh ravnih valovih so črte premočrtne z amplitudo, ki se med črtami spreminja glede na spremembo fazne razlike. Pomemben poseben primer interference je dodatek ravninskega valovanja z njegovim odbojem od ravninske meje; to ustvarja stoječi val z ravninami vozlišč in antinodov, ki se nahajajo vzporedno z mejo.

Difrakcija zvoka- odstopanje obnašanja zvoka od zakonov geometrijske akustike zaradi valovne narave zvoka. Rezultat difrakcije zvoka je razhajanje ultrazvočnih žarkov pri odmiku od oddajnika ali po prehodu skozi luknjo v zaslonu, upogibanje zvočnih valov v območje sence za ovirami, ki so velike v primerjavi z valovno dolžino, odsotnost sence zadaj ovire majhne v primerjavi z valovno dolžino, itd.. Zvočna polja, ki nastanejo z uklonom prvotnega valovanja na ovirah v mediju, na nehomogenostih medija, kot tudi na nepravilnostih in nehomogenostih meja medija, se imenujejo raztresena polja. Pri objektih, na katerih pride do difrakcije zvoka, ki je velika v primerjavi z valovno dolžino, je stopnja odstopanja od geometrijskega vzorca odvisna od vrednosti valovnega parametra

, (15)

• kjer je D premer predmeta (na primer premer ultrazvočnega oddajnika ali ovire),
• r - oddaljenost opazovalne točke od tega objekta

Ultrazvočni oddajniki

Ultrazvočni oddajniki- naprave za vzbujanje ultrazvočnih vibracij in valov v plinastih, tekočih in trdni mediji. Ultrazvočni oddajniki pretvarjajo energijo neke druge vrste v energijo.

Najbolj razširjeni ultrazvočni oddajniki so elektroakustičnih pretvornikov. Pri veliki večini tovrstnih ultrazvočnih oddajnikov, in sicer v piezoelektrični pretvorniki , magnetostrikcijski pretvorniki, elektrodinamični oddajniki, elektromagnetnih in elektrostatičnih oddajnikov, se električna energija pretvarja v energijo nihanja katerega koli trdna(oddajna plošča, palica, diafragma itd.), ki oddaja v okolju akustični valovi. Vsi našteti pretvorniki so praviloma linearni, zato nihanje sevalnega sistema reproducira vzbujajoči električni signal po obliki; Samo pri zelo velikih amplitudah nihanja blizu zgornje meje dinamičnega območja ultrazvočnega oddajnika lahko pride do nelinearnih popačenj.

Ta pojav uporabljajo pretvorniki, zasnovani za oddajanje monokromatskih valov resonanca: delujejo na eno od lastnih nihanj mehanskega nihajnega sistema, na katerega frekvenco je uglašen generator električne vibracije, razburljiv pretvornik. Elektroakustični pretvorniki, ki nimajo polprevodniškega sevalnega sistema, se relativno redko uporabljajo kot ultrazvočni oddajniki; mednje spadajo na primer ultrazvočni oddajniki, ki temeljijo na električna razelektritev v tekočini ali na elektrostrikciji tekočine.

Lastnosti ultrazvočnega oddajnika

Glavne značilnosti ultrazvočnih oddajnikov vključujejo njihove frekvenčni spekter, oddano zvočna moč, usmerjenost sevanja. Pri monofrekvenčnem sevanju so glavne značilnosti delovna frekvenca ultrazvočni oddajnik in njegov frekvenčni pas, katerega meje so določene s padcem sevane moči za polovico v primerjavi z njegovo vrednostjo pri frekvenci največjega sevanja. Za resonančne elektroakustične pretvornike je delovna frekvenca naravna frekvenca f 0 pretvornik in pasovna širinaΔf je določen z njegovim faktor kakovosti Q.

Ultrazvočne oddajnike (elektroakustične pretvornike) odlikujejo občutljivost, elektroakustična učinkovitost in lastna električna impedanca.

Občutljivost ultrazvočnega oddajnika- razmerje zvočnega tlaka pri maksimalni smerni karakteristiki na določeni razdalji od oddajnika (najpogosteje na razdalji 1 m) do električna napetost nanj ali na tok, ki teče v njem. Ta lastnost velja za ultrazvočne oddajnike, ki se uporabljajo v avdio alarmnih sistemih, sonarjih in drugih podobnih napravah. Pri sevalnikih za tehnološke namene, ki se uporabljajo na primer pri ultrazvočnem čiščenju, koagulaciji in vplivu na kemične procese, je glavna značilnost moč. Ultrazvočne oddajnike poleg skupne sevane moči, ocenjene v W, odlikujejo še specifično moč, to je povprečna moč na enoto površine sevalne površine ali povprečna jakost sevanja v bližnjem polju, ocenjena v W/m2.

Učinkovitost elektroakustičnih pretvornikov, ki oddajajo akustično energijo v ozvočeno okolje, je označena z njihovo velikostjo elektroakustična učinkovitost, ki je razmerje med oddano zvočno močjo in porabljeno električno močjo. V akustoelektroniki se za oceno učinkovitosti ultrazvočnih oddajnikov uporablja tako imenovani koeficient električnih izgub, ki je enak razmerju (v dB) električne moči proti zvočni moči. Učinkovitost ultrazvočnih orodij, ki se uporabljajo pri ultrazvočnem varjenju, strojni obdelavi in ​​podobno, je označena s tako imenovanim koeficientom učinkovitosti, ki je razmerje med kvadratom amplitude nihajnega premika na delovnem koncu koncentratorja in porabljeno električno močjo. s pretvornikom. Včasih se za karakterizacijo pretvorbe energije v ultrazvočnih oddajnikih uporablja efektivni elektromehanski sklopitveni koeficient.

Zvočno polje oddajnika

Zvočno polje pretvornika je razdeljeno na dve coni: bližnje in daljno območje. Bližnja cona to je območje neposredno pred pretvornikom, kjer gre amplituda odmeva skozi niz maksimumov in minimumov. Bližnje območje se konča na zadnjem maksimumu, ki se nahaja na razdalji N od pretvornika. Znano je, da je lokacija zadnjega maksimuma naravno žarišče pretvornika. Daljna cona To je območje za N, kjer se tlak zvočnega polja postopoma zmanjša na nič.

Položaj zadnjega maksimuma N na akustični osi pa je odvisen od premera in valovne dolžine in je za okrogli diskasti oddajnik izražen s formulo

, (17)

Ker pa je D običajno veliko večji, lahko enačbo poenostavimo na obliko

Značilnosti zvočnega polja so določene z zasnovo ultrazvočnega pretvornika. Posledično je širjenje zvoka v preučevanem območju in občutljivost senzorja odvisna od njegove oblike.

Ultrazvočne aplikacije

Raznolike uporabe ultrazvoka, pri katerih se uporabljajo njegove različne lastnosti, lahko razdelimo na tri področja. je povezana s pridobivanjem informacij preko ultrazvočnih valov, - z aktivnim vplivom na snov in - z obdelavo in prenosom signalov (smeri so navedene po vrstnem redu njihovega zgodovinskega nastanka). Za vsako specifično aplikacijo se uporablja ultrazvok določenega frekvenčnega območja.

Frekvence 16 Hz-20 kHz, ki jih lahko zazna človeški slušni aparat, se običajno imenujejo zvočne ali akustične, na primer cviljenje komarja "10 kHz". Toda zrak, morske globine in zemeljsko drobovje so napolnjeni z zvoki, ki ležijo zunaj tega območja - infra in ultrazvok. V naravi najdemo ultrazvok kot sestavni del številnih naravnih šumov, v šumu vetra, slapov, dežja, morskih kamenčkov, ki jih kotali val, in v razelektritvah strele. Številni sesalci, kot so mačke in psi, imajo sposobnost zaznavanja ultrazvoka s frekvenco do 100 kHz, lokacijske sposobnosti netopirjev, nočnih žuželk in morskih živali pa so vsem dobro znane. Obstoj takih zvokov je bil odkrit z razvojem akustike šele konec 19. stoletja. Hkrati so se začele tudi prve raziskave ultrazvoka, vendar so bili temelji njegove uporabe postavljeni šele v prvi tretjini 20. stoletja.

Kaj je ultrazvok

Ultrazvočni valovi (neslišni zvok) se po svoji naravi ne razlikujejo od valov v slišnem območju in se podrejajo istim fizikalnim zakonom. Toda ultrazvok ima posebne značilnosti, ki so določile njegovo široko uporabo v znanosti in tehnologiji.

Tu so glavne:

• Kratka valovna dolžina. Pri najnižjem ultrazvočnem območju valovna dolžina v večini medijev ne presega nekaj centimetrov. Kratka valovna dolžina določa žarkovno naravo širjenja ultrazvočnih valov. V bližini oddajnika se ultrazvok širi v obliki žarkov, ki so po velikosti podobni velikosti oddajnika. Ko zadene nehomogenosti v mediju, se ultrazvočni žarek obnaša kot svetlobni žarek z odbojem, lomom in sipanjem, kar omogoča oblikovanje zvočnih slik v optično neprozornih medijih s čisto optičnimi učinki (ostrenje, uklon itd.)
• Kratko obdobje nihanja, ki omogoča oddajanje ultrazvoka v obliki impulzov in izvajanje natančne časovne selekcije razširjajočih se signalov v mediju.
• Možnost pridobivanja visokih vrednosti intenzitete nihanja pri nizki amplitudi, ker energija vibracije je sorazmerna s kvadratom frekvence. To omogoča ustvarjanje ultrazvočnih žarkov in polj z visoko stopnjo energije, ne da bi potrebovali opremo velikih dimenzij.
• V ultrazvočnem polju se razvijejo pomembni akustični tokovi, zato učinek ultrazvoka na okolje povzroči specifične fizikalne, kemične, biološke in medicinske učinke, kot so kavitacija, kapilarni učinek, disperzija, emulgiranje, razplinjevanje, dezinfekcija, lokalno ogrevanje in številni drugi. .

Zgodovina ultrazvoka

Pozornost na akustiko so povzročile potrebe mornarice vodilnih sil - Anglije in Francije, ker. akustični je edina vrsta signala, ki lahko v vodi potuje daleč. Leta 1826 je francoski znanstvenik Colladon določil hitrost zvoka v vodi. Colladonov poskus velja za rojstvo sodobne hidroakustike. Podvodni zvon v Ženevskem jezeru je bil udarjen ob hkratnem vžigu smodnika. Blisk smodnika je opazil Colladon na razdalji 10 milj. S pomočjo podvodne slušne cevi je slišal tudi zvok zvona. Z merjenjem časovnega intervala med tema dvema dogodkoma je Colladon izračunal hitrost zvoka na 1435 m/s. Razlika glede na sodobne izračune je le 3 m/s.

Leta 1838 so v ZDA prvič uporabili zvok za določanje profila morskega dna. Vir zvoka je bil, tako kot v Colladonovem poskusu, zvonec, ki je zvenel pod vodo, sprejemnik pa so bile velike slušne cevi, spuščene čez krov. Rezultati poskusa so bili razočarani - zvok zvona, pa tudi eksplozija smodnikov v vodi, je dala prešibek odmev, skoraj neslišen med drugimi zvoki morja. Treba je bilo iti v območje višjih frekvenc, ki omogočajo ustvarjanje usmerjenih zvočnih žarkov.

Prvi ultrazvočni generator je leta 1883 izdelal Anglež Galton. Ultrazvok je nastal podoben visokemu zvoku na ostrini noža, ko nanj udari curek zraka. Vlogo takšne konice v Galtonovi piščalki je igral valj z ostrimi robovi. Zrak (ali drug plin), ki je pod pritiskom izhajal skozi obročasto šobo s premerom, ki je enak robu valja, je stekel vanj in nastale so visokofrekvenčne vibracije. S pihanjem vodika v piščalko je bilo mogoče doseči nihanje do 170 kHz.

Leta 1880 sta Pierre in Jacques Curie prišla do odkritja, odločilnega pomena za ultrazvočno tehnologijo. Brata Curie sta opazila, da je ob pritisku na kremenčeve kristale nastal električni naboj, ki je bil neposredno sorazmeren s silo, ki deluje na kristal. Ta pojav so poimenovali "piezoelektričnost" iz grške besede, ki pomeni "pritisniti". Pokazali so tudi inverzni piezoelektrični učinek, ki se je pojavil, ko je bil na kristal uporabljen hitro spreminjajoč se električni potencial, zaradi česar je vibriral. Odslej je tehnično možno izdelovati ultrazvočne oddajnike in sprejemnike majhnih dimenzij.

Smrt Titanika zaradi trčenja z ledeno goro in potreba po boju proti novim orožjem - podmornicam - sta zahtevala hiter razvoj ultrazvočne hidroakustike. Leta 1914 je francoski fizik Paul Langevin skupaj z ruskim znanstvenikom, ki je živel v Švici, Konstantinom Šilovskim, najprej razvil sonar, sestavljen iz ultrazvočnega oddajnika in hidrofona - sprejemnika ultrazvočnih vibracij, ki temelji na piezoelektričnem učinku. Sonar Langevin-Shilovsky je bil prva ultrazvočna naprava, uporabljena v praksi. Tudi v začetku stoletja je ruski znanstvenik S.Ya Sokolov razvil osnove ultrazvočne detekcije napak v industriji. Leta 1937 je nemški psihiater Karl Dussick skupaj s svojim bratom Friedrichom, fizikom, prvič uporabil ultrazvok za odkrivanje možganskih tumorjev, vendar so se rezultati, ki so jih dobili, izkazali za nezanesljive. V medicinski diagnostiki so ultrazvok začeli uporabljati šele v 50. letih 20. stoletja v ZDA.

Ultrazvočne aplikacije

Različne uporabe ultrazvoka lahko razdelimo na tri področja:

1. pridobivanje informacij z ultrazvokom
2. vpliv na snov, bitje
3. obdelava in prenos signala

Odvisnost hitrosti širjenja in slabljenja zvočnih valov od lastnosti snovi in ​​procesov, ki se v njih pojavljajo, se uporablja za:

• nadzor kemijskih reakcij, faznih prehodov, polimerizacije itd.
• določanje trdnostnih lastnosti in sestave materialov,
• ugotavljanje prisotnosti nečistoč,
• določanje pretoka tekočine in plina

S pomočjo ultrazvoka lahko perete oblačila, odganjate glodalce, jih uporabljate v medicini, preverjate različne materiale za napake in še veliko zanimivega.