Сферы применения ультразвука. Ультразвук, характеристики: частота, интенсивность и глубина проникновения

Ультразвук………………………………………………………………….4

Ультразвук как упругие волны……………………………………..4

Специфические особенности ультразвука………………………………..5

Источники и приемники ультразвука……………………………………..7

Механические излучатели…………………………………………...7

Электроакустические преобразователи…………………………….9

Приемники ультразвука……………………………………………..11

Применение ультразвука…………………………………………………...11

Ультразвуковая очистка……………………………………………...11

Механическая обработка сверхтвердых и хрупких

материалов……………………………………………………………13

Ультразвуковая сварка……………………………………………….14

Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14

Ускорение производственных процессов………………..…………15

Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15

Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17

Ультразвук в медицине………………………………..……………..18

Литература…………………………………………………..……………….19

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10 9 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10 12 -10 13 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

· низкие УЗ-вые частоты (1,5×10 4 – 10 5 Гц);

· средние (10 5 – 10 7 Гц);

· высокие (10 7 – 10 9 Гц).

Упругие волны с частотами 10 9 – 10 13 Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвук как упругие волны.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке , наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия ), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см 2 . Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

АКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС

Для увеличения интенсивности звука, производимого источ­ником, используют объемные колебательные системы, настроен­ные в резонанс с источником. Например, камертон в руке зву­чит едва слышно (правда, зато и долго), но если его поставить на крышку настроенного на частоту камертона деревянного ящика с одним открытым концом, то звучание камертона значительно усиливается. При этом время звучания, естественно, сокращается. Струнные музыкальные инструменты содержат деревянные «ящики» - резонаторы. Сложная форма этих резо­наторов обусловлена необходимостью обеспечить достаточно широкую полосу собственных частот инструмента: «ящик» дол­жен резонировать более или менее одинаково на звуки всех ча­стот, производимых струнами.

Объемные колебательные системы могут резонировать с ис­точником не только на своей основной частоте, но и на часто­тах обертонов. Например, если над открытым концом цилиндри­ческой вертикальной трубки, частично погруженной в воду, дер­жать звучащий камертон, а трубку постепенно поднимать, то резонанс наступает при различной длине воздушного столба. Резонанс при большей длине воздушного столба и означает, что он произошел на обертоне, так как основная частота столба воздуха с увеличением его длины уменьшается (частота камертона остается неизменной).

Акустический резонанс нашел применение при анализе ча­стотного состава сложного звука.

Для этой цели Гельмгольц сконструировал набор объемных резонаторов. Входящие в состав сложного звука простые тона возбуждают те резонаторы, собственная частота которых сов­падает с частотой данного тона. В настоящее время этот спо­соб утратил свое значение в технике. Современные анализаторы спектра звука сначала преобразуют звуковые колебания в элек­трические, которые затем анализируются электрическими це­пями.

В природе, однако, акустические анализаторы не утратили своего значения. Основной частью слухового органа является мембрана, размещенная в полости, заполненной жидкостью и содержащей несколько тысяч волокон, имеющих разные соб­ственные частоты. В зависимости от частотного состава звука соответствующие волокна вследствие резонанса начинают ко­лебаться, при этом нервные элементы на волокнах раздра­жаются и передают сигнал в мозг.

Ультразвук - механическая волна, частота которой превы­шает 20 000 Гц. На практике используются ультразвуки с ча­стотой до 10 6 Гц и более. Чтобы получить такие частоты при помощи собственных колебаний стальной пластины, свободной на обоих концах, длина этой пластины при основном тоне долж­на быть порядка

Собственные колебания такой пластины весьма слабы и быстро затухают. Для того чтобы пластина могла стать непрерывным источником ультразвука, нужно колебания в ней поддерживать внешней силой, меняющейся с частотой, равной частоте соб­ственных колебаний. Тогда в результате резонанса амплитуда колебаний пластины может быть довольно значительной, а по­рождаемый ею в окружающей среде ультразвук - достаточно интенсивным. Но где взять такую силу?

Получение ультразвука. Для получения ультразвука исполь­зуются три явления: обратный пьезоэлектрический эффект, магнитострикция и электрострикция.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается пере­менное напряжение, то пластина придет в вынужденные коле­бания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пла­стины передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнит­ные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют свои линейные размеры под действием магнитного ноля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень и пере­менное магнитное поле (например, внутрь катушки, но которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (например, керамики) обладают свой­ством изменять свои размеры в электрическом поле. Это явле­ние, получившее название электрострикции, отличается (внеш­не) от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что измене­ние размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используются описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными. Последние нашли наибольшее применение в практике.

Для получения ультразвука применяются также специаль­ные свистки, предназначенные для работы в воде (в море).

Регистрация ультразвука осуществляется приемным преоб­разователем, действие которого основано либо на прямом пьезо­электрическом эффекте, либо на явлении, обратном электрострикции. При сжатии кварцевой пластины (или пластины из керамики) на ее параллельных плоскостях появляются разно­именные заряды, т.е. создается разность потенциалов, которая зависит от сжимающегося давления. Действие кварцевого и электрострикционного керамического приемного преобразова­теля таково: звуковые волны оказывают переменное давление на поверхность пластины, что приводит к появлению на ее по­верхности переменной разности потенциалов, которая и фикси­руется электрической частью приемного устройства.

Применение ультразвука. Отметим два направления практи­ческого применения ультразвука.

Одно из них связано с использованием ультразвука большой интенсивности, который за счет побочных явлений может ока­зывать на материал разрушающее действие. Другое состоит в использовании ультразвука малой интенсивности с целью полу­чения информации о среде, в которой распространяются уль­тразвуковые волны (звуковые локаторы, эхолоты и т. д.).

Применение ультразвука большой интенсивности. Во всех случаях, связанных с применением ультразвука большой интен­сивности, важную роль играет эффект кавитации. Как известно, кавитацией называют образование в жидкости пузырьков (по­лостей), заполненных газом или паром. Ультразвуковые волны, проходя сквозь жидкость, создают области сжатия и разреже­ния. В последних возникает «отрицательное давление», приво­дящее к разрыву жидкости. В образовавшейся полости находятся, как правило, воздух, проникший в нее в результате диф­фузии из окружающей жидкости, и пары жидкости. Если воз­дух в жидкости отсутствует, то полость заполняется только па­рами жидкости. Время жизни полости, или пузырька, очень мало, так как в волне вслед за разрежением быстро наступает сжатие, и давление на пузырек со стороны окружающей жидко­сти резко возрастает (оно может превышать в несколько тысяч раз атмосферное давление), что приводит к схлопыванию по­лости. Когда полость схлопывается, образуются сильные удар­ные волны. Действие последних и используется на практике, например, для очистки от грязи различных предметов (ультра­звуковая очистка). Деталь помещают в ванну, наполненную со­ответствующим растворителем, в который погружен излучатель ультразвука.

Способность ультразвука создавать кавитацию уменьшается с ростом частоты, так как за короткое время существования по­ниженного давления пузырьки не успевают образоваться (или их образуется мало). В настоящее время большинство ультра­звуковых очистителей работает на частотах около 20 кГц.

Интенсивный ультразвук нашел применение для приготовле­ния однородных смесей (гомогенизация) и, в частности, для получения эмульсий (краски, лаки, косметические средства, фармацевтические изделия, продукты детского питания, мази, приправы, соусы, плавленые сыры, маргарин, майонез, зубная паста и т. д.).

Интенсивный ультразвук нашел применение также при пайке алюминиевых деталей. Дело в том, что на воздухе алю­миний быстро покрывается тонкой пленкой окисла, которая препятствует пайке и которую практически невозможно удалить с помощью флюсов. Вот здесь и пригодилась ультразвуковая чистка. Проходящие через ванну ультразвуковые волны вызы­вают кавитацию, которая снимает пленку окисла алюминия и обеспечивает тем самым сцепление соединяемых деталей с по­мощью припоя.

Ультразвук применяется также для сварки двух различных металлов.

Ультразвуковая (точечная) сварка применяется для соеди­нения деталей полупроводниковых приборов (диодов и трио­дов). Ультразвук позволяет делать отверстия прямоугольной (и более сложной) формы в хрупких материалах (стекло, ке­рамика) и в очень твердых материалах (карбиды, бориды, алмазы).

В ультразвуковой дрели, в отличие от пневматической, сверло не прямо воздействует на материал, a через влажный абразивный порошок. Механизм сверления, по-видимому, сво­дится к тому, что участки абразивного порошка под действием ультразвука бомбардируют материал и тем производят нужную обработку. В медицине интенсивный ультразвук нашел применение, например, в лечении болезни Паркинсона (неконтролируемое по­дергивание головы и конечностей). Болезнь излечивается при ультразвуковом воздействии на некоторые глубинные участки мозга. Ультразвук, подобно пучку света, специальными линзами фокусируется на определенном участке мозга, поражая те клетки, которые являются причиной болезни, не оказывая при этом действия на соседние клетки.

Применение слабого ультразвука. Это ультразвуковая лока­ция, позволяющая заглянуть как в глубь металла, так и внутрь человека. Ультразвуковая локация применяется на морских су­дах для обнаружения препятствий в воде (сонары) и исследо­вания рельефа морского дна (эхолоты).

Пионером в области ультразвукового контроля (ультразву­ковой дефектоскопии) был советский ученый С. Я. Соколов. В 1928 г. он предложил использовать метод ультразвуковой локации для обнаружения дефектов в металлических изделиях. Посылая в изделие ультразвуковые импульсы и принимая от­раженные импульсы, можно не только обнаружить наличие дефекта, но установить его размер и месторасположение.

Ультразвуковые дефектоскопы применяются для обнаруже­ния малейших трещин в железнодорожных рельсах, трещин в литье, ковке и т. п. Неожиданно эти приборы получили при­менение для определения упитанности крупного рогатого скота и свиней (определяется толщина жирового слоя под кожей).

В медицине слабый ультразвук нашел интересное примене­ние в диагностике болезни мозга. Большой интерес представ­ляет для медицинской диагностики использование эффекта До­плера на ультразвуке. Когда волна отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (по отноше­нию к частоте излучателя). При наложении первичного и отра­женного сигналов возникают биения. Появление биений свиде­тельствует о том, что облучаемый объект движется. По частоте биений можно судить о скорости движения. В организме чело­века и животных имеется много движущихся объектов: текущая кровь, бьющееся сердце, движение кишечника, выделение желу­дочного сока и т. д. Эти движения и можно контролировать ультразвуковыми методами, основанными на использовании эффекта Доплера.

Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком. Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.

Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.

Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25.11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы (25.3) определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на

пути корабля в горизонтальном направлении. При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.

Интересно, что некоторые животные, например летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины. -

При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).

При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волнами или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений, Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении, Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

• Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
• Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
• При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
• Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
• Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

• Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
• Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
• Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
• При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

• Механические , где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
• Электромеханические , где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

• Получение данных о конкретном веществе.
• Обработка и передача сигналов.
• Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

• Молекулярные процессы в различных структурах.
• Определение концентрации веществ в растворах.
• Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

• Металлизация.
• Ультразвуковая очистка.
• Дегазация жидкостей.
• Диспергирование.
• Получение аэрозолей.
• Ультразвуковая стерилизация.
• Уничтожения микроорганизмов.
• Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

• Коагуляция.
• Горение в ультразвуковой среде.
• Сушка.
• Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

• Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
• Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
• Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвукможет действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

• Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
• Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
• Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвукшироко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

• В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
• Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
• При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
• Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
• Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

Волн начались более ста лет назад, только последние полвека они стали широко использоваться в различных областях человеческой деятельности. Это связано с активным развитием как квантового и нелинейного разделов акустики, так и квантовой электроники и физики твердого тела. Сегодня ультразвук - это не просто обозначение высокочастотной области акустических волн, а целое научное направление в современной физике и биологии, с которым связаны промышленные, информационные и измерительные технологии, а также диагностические, хирургические и лечебные методы современной медицины.

Что это?

Все звуковые волны можно подразделить на слышимые человеком — это частоты от 16 до 18 тыс. Гц, и те, которые находятся вне диапазона людского восприятия — инфра- и ультразвук. Под инфразвуком понимаются волны аналогичные звуковым, но с воспринимаемых человеческим ухом. Верхней границей инфразвуковой области считается 16 Гц, а нижней - 0,001 Гц.

Ультразвук - это тоже звуковые волны, но только их частота выше, чем может воспринять слуховой аппарат человека. Как правило, под ними понимают частоты от 20 до 106 кГц. Верхняя их граница зависит от среды, в которых эти волны распространяются. Так, в газовой среде предел составляет 106 кГц, а в твердых телах и жидкостях он достигает отметки в 1010 кГц. В шуме дождя, ветра или водопада, грозовых разрядах и в шуршании перекатываемой морской волной гальки есть ультразвуковые компоненты. Именно благодаря способности воспринимать и анализировать волны ультразвукового диапазона киты и дельфины, летучие мыши и ночные насекомые ориентируются в пространстве.

Немного истории

Первые исследования ультразвука (УЗ) были проведены еще в начале XIX века французским ученым Ф. Саваром (F. Savart), стремившимся выяснить верхний частотный предел слышимости человеческого слухового аппарата. В дальнейшем изучением ультразвуковых волн занимались такие известные ученые, как немец В. Вин, англичанин Ф. Гальтон, русский с группой учеников.

В 1916 году физик из Франции П. Ланжевен, в сотрудничестве с русским ученым-эмигрантом Константином Шиловским, смог использовать кварц для приема и излучения ультразвука для морских измерений и обнаружения подводных объектов, что позволило исследователям создать первый гидролокатор, состоявший из излучателя и приемника ультразвука.

В 1925 году американец В. Пирс создал прибор, называемый сегодня интерферометром Пирса, измеряющий с большой точностью скорости и поглощение ультразвука в жидких и газовых средах. В 1928 году советский ученый С. Соколов первым стал использовать ультразвуковые волны для обнаружения различных дефектов в твердых, в том числе и металлических, телах.

В послевоенные 50-60-е годы, на основе теоретических разработок коллектива советских ученых, возглавляемых Л. Д. Розенбергом, начинается широкое применение УЗ в различных промышленных и технологических областях. В это же время, благодаря работам английских и американских ученых, а также исследованиям советских исследователей, таких как Р. В. Хохлова, В. А. Красильникова и многих других, быстро развивается такая научная дисциплина, как нелинейная акустика.

Примерно тогда же предпринимаются первые попытки американцев использовать ультразвук в медицине.

Советский ученый Соколов еще в конце сороковых годов прошлого века разработал теоретическое описание прибора, предназначенного для визуализации непрозрачных объектов - «ультразвукового» микроскопа. Основываясь на этих работах, в середине 70-х годов специалисты из Стэндфордского университета создали прототип сканирующего акустического микроскопа.

Особенности

Имея общую природу, волны слышимого диапазона, равно как и ультразвуковые, подчиняются физическим законам. Но у ультразвука есть ряд особенностей, позволяющих широко его использовать в различных областях науки, медицины и техники:

1. Малая длина волны. Для наиболее низкого ультразвукового диапазона она не превышает нескольких сантиметров, обуславливая лучевой характер распространения сигнала. При этом волна фокусируется и распространяется линейными пучками.

2. Незначительный период колебаний, благодаря чему ультразвук можно излучать импульсно.

3. В различных средах ультразвуковые колебания с длиной волны, не превышающей 10 мм, обладают свойствами, аналогичными световым лучам, что позволяет фокусировать колебания, формировать направленное излучение, то есть не только посылать в нужном направлении энергию, но и сосредотачивать ее в необходимом объеме.

4. При малой амплитуде существует возможность получения высоких значений энергии колебаний, что позволяет создавать высокоэнергетические ультразвуковые поля и пучки без использования крупногабаритной аппаратуры.

5. Под воздействием ультразвука на среду возникает множество специфических физических, биологических, химических и медицинских эффектов, таких как:

• диспергирование;
• кавитация;
• дегазация;
• локальный нагрев;
• дезинфекция и мн. др.

Виды

Все ультразвуковые частоты подразделяются на три вида:

• УНЧ - низкие, с диапазоном от 20 до 100 кГц;
• УСЧ - среднечастотные - от 0,1 до 10 МГц;
• УЗВЧ - высокочастотные - от 10 до 1000 МГц.

Сегодня практическое использование ультразвука - это прежде всего применение волн малой интенсивности для измерений, контроля и исследований внутренней структуры различных материалов и изделий. Высокочастотные используются для активного воздействия на различные вещества, что позволяет изменять их свойства и структуру. Диагностика и лечение ультразвуком многих заболеваний (при помощи различных частот) является отдельным и активно развивающимся направлением современной медицины.

Где применяется?

В последние десятилетия ультразвуком интересуются не только научные теоретики, но и практики, все более активно внедряющие его в различные виды человеческой деятельности. Сегодня ультразвуковые установки используются для:

В современном мире ультразвук — это важный технологический инструмент в таких промышленных отраслях, как:

• металлургическая;
• химическая;
• сельскохозяйственная;
• текстильная;
• пищевая;
• фармакологическая;
• машино- и приборостроительная;
• нефтехимическая, перерабатывающая и другие.

Кроме этого, все более широко используется ультразвук в медицине. Вот об этом мы и поговорим в следующем разделе.

Использование в медицине

В современной практической медицине существует три основных направления использования ультразвука различных частот:

1. Диагностическое.

2. Терапевтическое.

3. Хирургическое.

Рассмотрим более подробно каждое из этих трех направлений.

Диагностика

Одним из наиболее современных и информативных методов медицинской диагностики является ультразвуковой. Его несомненные достоинства - это: минимальное воздействие на человеческие ткани и высокая информативность.

Как уже говорилось, ультразвук — это звуковые волны, распространяющиеся в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Если на их пути находятся области с различными акустическими плотностями, то часть колебаний отражается, а другая часть преломляется, продолжая при этом свое Таким образом, чем больше разница в плотности пограничных сред, тем больше ультразвуковых колебаний отражается. Современные методы ультразвукового исследования можно подразделить на локационные и просвечивающие.

Ультразвуковая локация

В процессе такого исследования регистрируются отраженные от границ сред с различными акустическими плотностями импульсы. При помощи перемещаемого датчика можно установить размер, расположение и форму исследуемого объекта.

Просвечивание

Этот метод основан на том, что различные ткани человеческого организма по-разному поглощают ультразвук. Во время исследования какого-либо внутреннего органа в него направляют волну с определенной интенсивностью, после чего специальным датчиком регистрируют прошедший сигнал с обратной стороны. Картина сканируемого объекта воспроизводится на основе изменения интенсивности сигнала на «входе» и «выходе». Полученная информация обрабатывается и преобразуется компьютером в виде эхограммы (кривой) или сонограммы - двухмерного изображения.

Допплер-метод

Это наиболее активно развивающийся метод диагностики, в котором используются как импульсный, так и непрерывный ультразвук. Допплерография широко применяется в акушерстве, кардиологии и онкологии, так как позволяет отслеживать даже самые незначительные изменения в капиллярах и небольших кровеносных сосудах.

Области применения диагностики

Сегодня ультразвуковые методы визуализации и измерений наиболее широко применяются в таких областях медицины, как:

• акушерство;
• офтальмология;
• кардиология;
• неврология новорожденных и младенцев;
• исследование внутренних органов:

Ультразвук почек;

Желчного пузыря и протоков;

Женской репродуктивной системы;

• диагностика наружных и приповерхностных органов (щитовидной и молочных желез).

Использование в терапии

Основное лечебное воздействие ультразвука обусловлено его способностью проникать в человеческие ткани, разогревать и прогревать их, осуществлять микромассаж отдельных участков. УЗ может быть использован как для непосредственного, так и для косвенного воздействия на очаг боли. Кроме того, при определенных условиях эти волны оказывают бактерицидное, противовоспалительное, обезболивающее и спазмолитическое действие. Используемый в терапевтических целях ультразвук условно подразделяют на колебания высокой и низкой интенсивности.

Именно волны низкой интенсивности наиболее широко применяется для стимуляции физиологических реакций или незначительного, не повреждающего нагрева. Лечение ультразвуком дало положительные результаты при таких заболеваниях, как:

• артрозы;
• артриты;
• миалгии;
• спондилиты;
• невралгии;
• варикозные и трофические язвы;
• болезнь Бехтерева;
• облитерирующие эндартерииты.

Проводятся исследования, во время которых используется ультразвук для лечения болезни Меньера, язв двенадцатиперстной кишки и желудка, бронхиальной астмы, отосклероза.

Ультразвуковая хирургия

Современная хирургия, использующая ультразвуковые волны, подразделяется на два направления:

Избирательно разрушающая участки ткани особыми управляемыми ультразвуковыми волнами высокой интенсивности с частотами от 10 6 до 10 7 Гц;

Использующая хирургический инструмент с наложением ультразвуковых колебаний от 20 до 75 кГц.

Примером избирательной УЗ-хирургии может послужить дробление камней ультразвуком в почках. В процессе такой неинвазивной операции ультразвуковая волна воздействует на камень через кожу, то есть снаружи человеческого тела.

К сожалению, подобный хирургический метод имеет ряд ограничений. Нельзя использовать дробление ультразвуком в следующих случаях:

Беременным женщинам на любом сроке;

Если диаметр камней более двух сантиметров;

При любых инфекционных заболеваниях;

При наличии болезней, нарушающих нормальную свертываемость крови;

В случае тяжелых поражений костной ткани.

Несмотря на то что удаление ультразвуком почечных камней проводится без операционных разрезов, оно довольно болезненное и выполняется под общей или местной анестезией.

Хирургические ультразвуковые инструменты используются не только для менее болезненного рассечения костных и мягких тканей, но и для уменьшения кровопотерь.

Обратим свой взор в сторону стоматологии. Ультразвук камни зубные удаляет менее болезненно, да и все остальные манипуляции врача переносятся гораздо легче. Кроме того, в травматологической и ортопедической практике ультразвук используется для восстановления целостности сломанных костей. Во время таких операций пространство между костными отломками заполняют специальным составом, состоящим из костной стружки и особой жидкой пластмассы, а затем воздействуют ультразвуком, благодаря чему все компоненты крепко соединяются. Те, кто перенес хирургические вмешательства, в ходе которых использовался ультразвук, отзывы оставляют разные - как положительные, так и отрицательные. Однако следует отметить, что довольных пациентов все же больше!