Ультразвук представляє хвилі поздовжнього вигляду, які мають частоту коливань понад 20 КГц. Це більше частоти коливань, які сприймаються людським слуховим апаратом. Людина може сприймати частоти, що у межах 16-20 КГц, вони називаються звуковими. Ультразвукові хвилі виглядають як низка згущень та розряджень речовини або середовища. Завдяки їхнім властивостям вони знаходять широке застосування у багатьох сферах.
В ультразвуковий діапазон потрапляють частоти, починаючи від 20 тисяч до кількох мільярдів герц. Це коливання високої частоти, що знаходяться за областю чутності вухом людини. Однак ультразвукові хвилі сприймають деякі види тварин. Це дельфіни, кити, щури та інші ссавці.
За фізичними властивостями ультразвукові хвилі є пружними, тому вони не відрізняються від звукових. В результаті різниця між звуковими та ультразвуковими коливаннями дуже умовна, адже вона залежить від суб'єктивного сприйняття слуху людини і дорівнює верхньому рівню чутного звуку.
Як механічні випромінювачі можуть виступати свистки та сирени, що працюють за допомогою повітря або рідини. Вони зручні та прості, однак у них є свої мінуси. Так коефіцієнт корисної дії вони перебувають у межах 10-20 відсотків. Вони створюють широкий спектр частот з нестабільною амплітудою та частотою. Це призводить до того, що такі пристрої неможливо використовувати в умовах, коли потрібна точність. Найчастіше їх застосовують як засоби сигналізації.
Електромеханічні пристрої використовують принцип п'єзоелектричного ефекту. Його особливість у тому, що при утворенні електрозарядів на гранях кристала відбувається його стискання та розтягування. В результаті створюються коливання із частотою, яка залежить від періоду зміни потенціалу на поверхнях кристала.
Крім перетворювачів, що базуються на п'єзоелектричному ефекті, можуть застосовуватись і магнітострикційні перетворювачі. Вони використовуються для створення потужного ультразвукового пучка. Сердечник, який виконаний з магнітострикційного матеріалу, розміщений у провідній обмотці, змінює власну довжину згідно з формою електричного сигналу, що надходить на обмотку.
Ультразвук знаходить широке застосування у найрізноманітніших областях.
У медицині ультразвукові хвилі використовуються в терапії та діагностиці. У діагностиці застосовують локаційні методи із застосуванням імпульсного випромінювання. До них відносяться ультразвукова кардіографія, ехоенцефалографія та низка інших методів. У терапії ультразвукові хвилі застосовуються як методи, засновані на тепловому та механічному впливі на тканини. Наприклад, часто під час операцій застосовують ультразвуковий скальпель.
Ультразвук може діяти на тканині пригніченням, стимулюванням чи руйнуванням. Все це залежить від застосовуваної дози ультразвукових коливань та їхньої потужності. Проте не всі області тіла людини дозволяється використовувати такі хвилі. Так з певною обережністю впливають на серцевий м'яз і низку ендокринних органів. На мозок, шийні хребці, мошонку та низку інших органів вплив зовсім не використовується.
На даний момент ультразвук широко застосовується в різних областях, але в майбутньому він знайде ще більше застосування. Вже сьогодні планується створення фантастичних для сьогодення пристроїв.
Ультразвук
Ультразвук- пружні коливання із частотою поза чутності в людини. Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають частоти вище 18000 герц.
Хоча про існування ультразвуку відомо давно, його практичне використання досить молоде. У наш час ультразвук широко застосовується у різних фізичних та технологічних методах. Так, за швидкістю поширення звуку серед судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з дуже малими похибками визначати, наприклад, адіабатичні характеристики швидкоплинних процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні тверді тіла.
Частота ультразвукових коливань, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Такі коливання зазвичай виробляють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів з титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
У природі УЗ зустрічається як як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, в звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.
Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму на механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовищеакустичні хвилі.
Перший ультразвуковий свисток зробив 1883 року англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно до звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря у свистку Гальтона грає «губа» у маленькій циліндричній резонансній порожнині. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю «губу»; виникають коливання, частота яких (вона становить близько 170 кГц) визначається розмірами сопла та губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак та кішок.
Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвуку рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони мають істотну перевагу. Так як ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища до іншого. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція ультразвукового свистка рідини, виготовленого англійськими вченими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років XX століття. У ньому потік рідини під високим тиском виходить із еліптичного сопла і прямує на сталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкого поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки пластинка, що коливається) такі системи довговічні і недорогі.
Інший різновид механічних джерел ультразвуку - сирена. Вона має відносно велику потужність і застосовується в поліцейських і пожежних машинах. Усі ротаційні сирени складаються з камери, закритої зверху диском (статором), у якому зроблено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску, що обертається всередині камери - роторі. При обертанні ротора положення отворів у ньому періодично збігається з положенням отворів на статорі. У камеру безперервно подається стиснене повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі та статорі збігаються.
Основне завдання при виготовленні сирен - це по-перше - зробити якнайбільше отворів у роторі, по-друге - досягти великої швидкості його обертання. Однак практично виконати ці вимоги дуже важко.
Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості в порівнянні з рентгенівськими променями та простотою використання у порівнянні з магнітно-резонансною томографією ультразвук широко застосовується для візуалізації стану. внутрішніх органівлюдини, особливо в черевній порожнині та порожнині тазу.
Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. ультразвукове дослідження), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.
Ультразвук має дію:
Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканині діють ультразвуком і лікувальними речовинами, що вводяться з його допомогою (як медикаментами, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу та шкірних залоз, клітинних мембран та стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо – іонів мінералів бішофіту. Зручність ультрафонофорезу медикаментів та природних речовин:
Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, шпора п'яти, стани після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.
Наноситься бішофіт-гель та робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофорезу (при УФФ суглобів, хребта інтенсивність у ділянці шийного відділу - 0,2-0,4 Вт/см2., у ділянці грудного та поперекового відділу - 0,4-0,6 Вт/см2).
На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад, у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото повністю замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше за фрезерний верстат і обробляти ним металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом.
Ультразвуком можна робити гвинтову нарізку в металевих деталях, у склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім деталь вже піддають гартуванню. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі та у найтвердіших сплавах. Те саме і зі штампами. Зазвичай штамп гартують вже після його ретельного оздоблення. На ультразвуковому верстаті найскладнішу обробку виготовляє абразив (наждак, корундовий порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно вагаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблений сплав і вирізають отвір такої ж форми, як і в долота.
Широко застосовується ультразвук для виготовлення однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві рідини, що не змішуються (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна зависла олії у воді. Подібні емульсії грають велику роль промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.
Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування у біологічних дослідженнях, наприклад, за необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії та хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їхньою структурою та функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може зашкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій відіграє велику роль у селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.
Застосування ультразвуку для механічного очищення ґрунтується на виникненні під його впливом у рідині різних нелінійних ефектів. До них відноситься кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль грає кавітація. Її бульбашки, виникаючи і плескаючись поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Використовуваний для цього ультразвук має низьку частоти і підвищену потужність.
У лабораторних та виробничих умовах для миття дрібних деталей та посуду застосовуються ультразвукові ванни заполонені розчинником (вода, спирт тощо). Іноді з їх допомогою від частинок землі миють навіть коренеплоди (картопля, морква, буряк та ін.).
Для контролю витрати та обліку води та теплоносія з 60-х років минулого століття в промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.
Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів цих матеріалів. Останнім часом розвивається напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.
Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, яке здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрів яких утруднений, або при з'єднанні різнорідних металів або металів з міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі сталі, магнітопроводи з пермалою тощо). Так ультразвукове зварювання застосовується під час виробництва інтегральних мікросхем.
Ультразвук застосовують для інтенсифікації гальванічних процесів та покращення якості покриттів, одержуваних електрохімічним способом.
1. Випромінювачі та приймачі ультразвуку.
2. Поглинання ультразвуку у речовині. Акустичні течії та кавітація.
3. Відображення ультразвуку. Звукобачення.
4. Біофізична дія УЗ.
5. Використання УЗ у медицині: терапії, хірургії, діагностиці.
6. Інфразвук та його джерела.
7. Вплив інфразвуку на людину. Використання інфразвуку в медицині.
8. Основні поняття та формули. Таблиці.
9. Завдання.
Ультразвук -пружні коливання та хвилі з частотами приблизно від 20x10 3 Гц (20 кГц) і до 10 9 Гц (1 ГГц). Область частот ультразвуку від 1 до 1000 ГГц прийнято називати гіперзвуком.Ультразвукові частоти ділять на три діапазони:
УНЧ – ультразвук низьких частот (20-100 кГц);
УСЧ – ультразвук середніх частот (0,1-10 МГц);
УЗВЧ – ультразвук високих частот (10-1000 МГц).
Кожен діапазон має особливості медичного застосування.
5.1. Випромінювачі та приймачі ультразвуку
Електромеханічні випромінювачіі приймачі УЗвикористовують явище п'єзоелектричного ефекту, сутність якого пояснює рис. 5.1.
Яскраво вираженими п'єзоелектричними властивостями мають такі кристалічні діелектрики, як кварц, сегнетова сіль та ін.
Випромінювачі ультразвуку
Електромеханічний УЗ-випромінювачвикористовує явище зворотного п'єзоелектричного ефекту та складається з наступних елементів (рис. 5.2):
Мал. 5.1.а - прямий п'єзоелектричний ефект:стиск і розтяг п'єзоелектричної пластини призводить до виникнення різниці потенціалів відповідного знака;
б - зворотний п'єзоелектричний ефект:залежно від знака різниці потенціалів, доданої до п'єзоелектричної платівки, вона стискається або розтягується
Мал. 5.2.Ультразвуковий випромінювач
1 - пластини з речовини з п'єзоелектричними властивостями;
2 - електродів, нанесених на її поверхні у вигляді провідних шарів;
3 - генератора, що подає на електроди змінну напругу необхідної частоти.
При подачі на електроди (2) змінної напруги від генератора (3) пластина (1) відчуває періодичні розтягування та стискування. Виникають вимушені коливання, частота яких дорівнює частоті зміни напруги. Ці коливання передаються частинкам довкілля, створюючи механічну хвилю із відповідною частотою. Амплітуда коливань частинок середовища поблизу випромінювача дорівнює амплітуді коливань пластини.
До особливостей ультразвуку відноситься можливість отримання хвиль великої інтенсивності навіть при порівняно невеликих амплітудах коливань, оскільки при даній амплітуді щільність
Мал. 5.3.Фокусування ультразвукового пучка у воді плоскогнутою лінзою з плексигласу (частота ультразвуку 8 МГц)
потоку енергії пропорційна квадрату частоти(Див. формулу 2.6). Гранична інтенсивність випромінювання ультразвуку визначається властивостями матеріалу випромінювачів, і навіть особливостями умов їх використання. Діапазон інтенсивності при генерації УЗ області УСЧ надзвичайно широкий: від 10 -14 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 .
Для багатьох цілей необхідні значно більші інтенсивності, ніж ті, що можуть бути отримані з поверхні випромінювача. У цих випадках можна скористатися фокусуванням. На малюнку 5.3 показано фокусування ультразвуку лінзою з плексигласу. Для отримання дуже великихінтенсивностей УЗ використовують більше складні методифокусування. Так, у фокусі параболоїда, внутрішні стінки якого виконані з мозаїки кварцових пластинок або п'єзокераміки титаніту барію, на частоті 0,5 МГц вдається отримувати у воді інтенсивності ультразвуку до 10 5 Вт/см 2 .
Приймачі ультразвуку
Електромеханічні УЗ-приймачі(Рис. 5.4) використовують явище прямого п'єзоелектричного ефекту. У цьому випадку під дією УЗ-хвилі виникають коливання кристалічної пластини (1),
Мал. 5.4.Ультразвуковий приймач
в результаті яких на електродах (2) виникає змінна напруга, яка фіксується системою, що реєструє (3).
У більшості медичних приладів генератор ультразвукових хвиль одночасно використовується як їх приймач.
5.2. Поглинання ультразвуку у речовині. Акустичні течії та кавітація
За фізичною сутністю УЗ не відрізняється від звуку і є механічною хвилею. При її поширенні утворюються ділянки згущення і розрядження частинок середовища, що чергуються. Швидкість поширення УЗ та звуку в середовищах однакові (у повітрі ~ 340 м/с, у воді та м'яких тканинах ~ 1500 м/с). Проте висока інтенсивність і мала довжина УЗ-хвиль породжують низку специфічних особливостей.
При поширенні УЗ речовині відбувається незворотний перехід енергії звукової хвилі до інших видів енергії, переважно теплоту. Це явище називається поглинання звуку.Зменшення амплітуди коливання частинок та інтенсивності УЗ внаслідок поглинання носить експоненційний характер:
де А, А 0 - амплітуди коливань частинок середовища біля поверхні речовини та на глибині h; I, I 0 - відповідні інтенсивності УЗ-хвилі; α - коефіцієнт поглинання,залежить від частоти УЗ-хвилі, температури та властивостей середовища.
Коефіцієнт поглинання -зворотна величина тієї відстані, де амплітуда звукової хвилі спадає в «е» раз.
Чим більший коефіцієнт поглинання, тим більше середовище поглинає ультразвук.
Коефіцієнт поглинання (α) зростає зі збільшенням частоти УЗ. Тому згасання УЗ в середовищі набагато вище, ніж згасання чутного звуку.
Поряд з коефіцієнтом поглинання,як характеристики поглинання УЗ використовують і глибину напівпоглинання(Н), що пов'язана з ним зворотною залежністю (Н = 0,347/α).
Глибина напівпоглинання(Н) - це глибина, де інтенсивність УЗ-хвилі зменшується вдвічі.
Значення коефіцієнта поглинання та глибини напівпоглинання у різних тканинах представлені в табл. 5.1.
У газах і, зокрема, повітря ультразвук поширюється з великим згасанням. Рідини та тверді тіла (особливо монокристали) є, як правило, хорошими провідниками ультразвуку, і загасання в них значно менше. Так, наприклад, у воді згасання УЗ за інших рівних умов приблизно в 1000 разів менше, ніж у повітрі. Тому області використання УСЧ та УЗВЧ відносяться майже виключно до рідин та твердих тіл, а в повітрі та газах застосовують лише УНЧ.
Виділення теплоти та хімічні реакції
Поглинання ультразвуку речовиною супроводжується переходом механічної енергії у внутрішню енергію речовини, що призводить до її нагрівання. Найбільш інтенсивне нагрівання відбувається в областях, що примикають до меж поділу середовищ, коли коефіцієнт відображення близький до одиниці (100%). Це пов'язано з тим, що в результаті відображення інтенсивність хвилі поблизу кордону збільшується і, відповідно, зростає кількість поглиненої енергії. У цьому вся можна переконатися експериментально. Потрібно прикласти до вологої руки випромінювач УЗ. Незабаром на протилежному боці долоні виникає відчуття (схоже біль від опіку), викликане УЗ, відбитим від кордону «шкіра-повітря».
Тканини зі складною структурою (легкі) більш чутливі до нагрівання ультразвуком ніж однорідні тканини (печінка). Порівняно багато тепла виділяється на межі м'яких тканин та кістки.
Локальне нагрівання тканин на частки градусів сприяє життєдіяльності біологічних об'єктів, підвищує інтенсивність процесів обміну. Однак тривала дія може призвести до перегріву.
У деяких випадках використовують сфокусований ультразвук для локального на окремі структури організму. Таке вплив дозволяє досягти контрольованої гіпертермії, тобто. нагріву до 41-44 ° С без перегріву сусідніх тканин.
Підвищення температури та великі перепади тиску, якими супроводжується проходження ультразвуку, можуть призводити до утворення іонів та радикалів, здатних вступати у взаємодію з молекулами. При цьому можуть протікати такі хімічні реакції, які у звичайних умовах неможливі. Хімічна дія УЗ проявляється, зокрема, у розщепленні молекули води на радикали Н+ та ОН – з подальшим утворенням перекису водню Н2О2.
Акустичні течії та кавітація
Ультразвукові хвилі великої інтенсивності супроводжуються низкою специфічних ефектів. Так, поширенню ультразвукових хвиль у газах та рідинах супроводжує рух середовища, яке називають акустичним перебігом (рис. 5.5, а).На частотах діапазону УСЧ в ультразвуковому полі з інтенсивністю кілька Вт/см 2 може виникнути фонтанування рідини (рис. 5.5, б)і розпорошення її з утворенням дуже дрібнодисперсного туману. Ця особливість поширення УЗ використовують у ультразвукових інгаляторах.
До важливих явищ, що виникають при поширенні інтенсивного ультразвуку в рідинах, належить акустична кавітація -зростання в ультразвуковому полі бульбашок з наявних
Мал. 5.5.а) акустичний перебіг, що виникає при поширенні ультразвуку частоти 5 МГц у бензолі; б) фонтан рідини, що утворюється при падінні ультразвукового пучка зсередини рідини на поверхню (частота ультразвуку 1,5 МГц, інтенсивність 15 Вт/см 2)
субмікроскопічних зародків газу або пари в рідинах до розмірів долі мм, які починають пульсувати з частотою УЗ і захлопуються в позитивній фазі тиску. При схлопывании бульбашок газу виникають великі локальні тиску порядку тисяч атмосфер,утворюються сферичні ударні хвилі.Така інтенсивна механічна дія на частинки, що містяться в рідині, може призводити до різноманітних ефектів, у тому числі й руйнівних, навіть без впливу теплової дії ультразвуку. Механічні ефекти є особливо значними при дії фокусованого ультразвуку.
Ще одним наслідком схлопування кавітаційних бульбашок є сильний розігрів їхнього вмісту (до температури близько 10 000 ° С), що супроводжується іонізацією та дисоціацією молекул.
Явище кавітації супроводжується ерозією робочих поверхонь випромінювачів, пошкодженням клітин тощо. Однак це явище призводить і до ряду корисних ефектів. Так, наприклад, у ділянці кавітації відбувається посилене перемішування речовини, що використовується для приготування емульсій.
5.3. Відображення ультразвуку. Звукобачення
Як і всім видам хвиль, ультразвуку притаманні явища відображення та заломлення. Проте ці явища помітні лише тому випадку, коли розміри неоднорідностей можна порівняти з довжиною хвилі. Довжина УЗ-хвилі істотно менша за довжину звукової хвилі (λ = v/?).Так, довжини звукової та ультразвукової хвиль у м'яких тканинах на частотах 1 кГц та 1 МГц відповідно дорівнюють: λ = 1500/1000 = 1,5 м;
1500/1000000 = 1,5 х10 -3 м = 1,5 мм. Відповідно до сказаного, тіло розміром 10 см практично не відображає звук з довжиною хвилі з λ = 1,5 м, але є відбивачем для УЗ-хвилі з λ = 1,5 мм.
Ефективність відбиття визначається як геометричними співвідношеннями, а й коефіцієнтом відбиття r, який залежить від відношення хвильових опорів серед х(див. формули 3.8, 3.9):
Для значень х, близьких до 0, відбиток практично повним. Це є перешкодою для переходу УЗ з повітря в м'які тканини (х = 3х10 -4 , r= 99,88%). Якщо УЗ-випромінювач прикласти безпосередньо до шкіри людини, то ультразвук не проникне всередину, а відбиватиметься від тонкого шару повітря між випромінювачем і шкірою. У цьому випадку малі значення хграють негативну роль. Щоб виключити повітряний шар, поверхню шкіри покривають шаром відповідного мастила (водним желе), яке відіграє роль перехідного середовища, що зменшує відображення. Навпаки, виявлення неоднорідностей серед малі значення хє позитивним чинником.
Значення коефіцієнта відображення на межах різних тканин наведено у табл. 5.2.
Інтенсивність відбитого сигналу залежить не тільки від величини коефіцієнта відображення, але і від ступеня поглинання ультразвуку середовищем, в якій він поширюється. Поглинання УЗволны призводить до того, що ехосигнал, відбитий від структури, розташованої в глибині, значно слабше, ніж той, який утворився при відображенні від подібної структури, розташованої недалеко від поверхні.
На відображенні УЗ-хвиль від неоднорідностей засновано звукобачення,що використовується в медичних ультразвукових дослідженнях (УЗД). У цьому випадку ультразвук, відбитий від неоднорідностей (окремі органи, пухлини), перетворюється на електричні коливання, а останні - на світлові, що дозволяє бачити на екрані ті чи інші предмети в непрозорому для світла середовищі. На малюнку 5.6 дано зображення
Мал. 5.6. Зображення людського плоду віку 17 тижнів, отримане за допомогою ультразвуку частотою 5 МГц
людського плоду віком 17 тижнів, отримане за допомогою ультразвуку.
На частотах УЗВЧ-діапазону створений ультразвуковий мікроскоп - прилад, аналогічний звичайному мікроскопу, перевага якого перед оптичним полягає в тому, що при біологічних дослідженнях не потрібно попереднього фарбування об'єкта. На малюнку 5.7 показані фотографії червоних кров'яних тілець, отримані оптичним та ультразвуковим мікроскопами.
Мал. 5.7.Фотографії червоних кров'яних тілець, отримані оптичним (а) та УЗ(б) мікроскопами
При збільшенні частоти УЗ-хвиль збільшується роздільна здатність (можна виявляти дрібніші неоднорідності), але зменшується їх проникаюча здатність, тобто. зменшується глибина, де можна досліджувати цікаві структури. Тому частоту УЗ вибирають так, щоб поєднувати достатню роздільну здатність з необхідною глибиною дослідження. Так, для УЗ дослідження щитовидної залози, розташованої безпосередньо під шкірою, використовуються хвилі частоти 7,5 МГц, а для дослідження органів черевної порожнини використовують частоту 3,5-5,5 МГц. Крім того, враховують і товщину жирового шару: для худих дітей використовується частота 5,5 МГц, а для повних дітей та дорослих – частота 3,5 МГц.
5.4. Біофізична дія УЗ
При дії ультразвуку на біологічні об'єкти в органах, що опромінюються, і тканинах на відстанях, рівних половині довжини хвилі, можуть виникати різниці тисків від одиниць до десятків атмосфер. Настільки інтенсивні впливи призводять до різноманітних біологічних ефектів, фізична природа яких визначається спільною дією механічних, теплових та фізикохімічних явищ, що супроводжують поширення ультразвуку в середовищі.
Загальний вплив ультразвуку на тканини та організм у цілому
Біологічна дія ультразвуку, тобто. Зміни, що викликаються в життєдіяльності та структурах біологічних об'єктів при впливі на них ультразвуку, визначається, головним чином, його інтенсивністю та тривалістю опромінення і може чинити як позитивний, так і негативний вплив на життєдіяльність організмів. Так, механічні коливання частинок, що виникають при порівняно невеликих інтенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/см 2 ), виробляють своєрідний мікромасаж тканин, що сприяє кращому обміну речовин і кращому постачанню тканин кров'ю і лімфою. Локальне нагрівання тканин на частки та одиниці градусів, як правило, сприяє життєдіяльності біологічних об'єктів, підвищуючи інтенсивність процесів обміну речовин. Ультразвукові хвилі малоїі середньоїінтенсивності викликають у живих тканинах позитивні біологічні ефекти, що стимулюють перебіг нормальних фізіологічних процесів.
Успішне застосування УЗ зазначених інтенсивностей знаходить застосування у неврології при реабілітації таких захворювань, як хронічний радикуліт, поліартрит, неврит, невралгія. Ультразвук використовується при лікуванні хвороб хребта, суглобів (руйнування сольових нашарувань у суглобах та порожнинах); при лікуванні різних ускладнень після ушкодження суглобів, зв'язок, сухожилля тощо.
УЗ великий інтенсивності (3-10 Вт/см 2) надає шкідливий вплив на окремі органи та людський організм в цілому. Висока інтенсивність ультразвуку може призвести до виникнення
у біологічних середовищах акустичної кавітації, що супроводжується механічним руйнуванням клітин та тканин. Тривалі інтенсивні впливи ультразвуком можуть призвести до перегріву біологічних структур та їх руйнування (денатурація білків та ін.). Вплив інтенсивного ультразвуку може мати віддалені наслідки. Наприклад, при тривалих впливах УЗ частотою 20-30 кГц, що виникають у деяких виробничих умовах, у людини з'являються розлади нервової системи, Підвищується стомлюваність, суттєво піднімається температура, виникають порушення органу слуху.
Дуже інтенсивний УЗ для людини є смертельним. Так, в Іспанії 80 добровольців були піддані дії УЗ турбулентних двигунів. Результати цього варварського експерименту виявилися плачевними: 28 людей загинули, решта виявилася повністю або частково паралізована.
Тепловий ефект, вироблений УЗ великої інтенсивності, може бути значним: при ультразвуковому опроміненні потужністю 4 Вт/см 2 протягом 20 з температура тканин організму на глибині 2-5 см підвищується на 5-6 °С.
З метою запобігання професійним захворюванням у осіб, які працюють на ультразвукових установках, коли можливий контакт із джерелами ультразвукових коливань, для захисту рук обов'язково необхідно застосування 2 пар рукавичок: зовнішніх гумових та внутрішніх – бавовняних.
Дія ультразвуку на клітинному рівні
В основі біологічної дії УЗ можуть також лежати вторинні фізико-хімічні ефекти. Так, при утворенні акустичних потоків може відбуватися перемішування внутрішньоклітинних структур. Кавітація призводить до розриву молекулярних зв'язків у біополімерах та інших життєво важливих сполуках та розвитку окислювально-відновних реакцій. Ультразвук збільшує проникність біологічних мембран, внаслідок чого відбувається прискорення процесів обміну речовин через дифузію. Зміна потоку різних речовин через цитоплазматичну мембрану призводить до зміни складу внутрішньоклітинного середовища та мікрооточення клітини. Це впливає на швидкість біо хімічних реакційза участю ферментів, чутливих до вмісту в середовищі тих чи
інших іонів. У деяких випадках зміна складу середовища всередині клітини може призвести до прискорення ферментативних реакцій, що спостерігається при впливі на клітини ультразвуку низьких інтенсивностей.
Багато внутрішньоклітинних ферментів активуються іонами калію. Тому при підвищенні інтенсивності ультразвуку вірогіднішим стає ефект пригнічення ферментативних реакцій у клітині, оскільки внаслідок деполяризації клітинних мембран концентрація іонів калію у внутрішньоклітинному середовищі зменшується.
Дія ультразвуку на клітини може супроводжуватися такими явищами:
Порушенням мікрооточення клітинних мембран у вигляді зміни градієнтів концентрації різних речовин біля мембран, зміною в'язкості середовища всередині та поза клітиною;
Зміною проникності клітинних мембран у вигляді прискорення звичайної та полегшеної дифузії, зміною ефективності активного транспорту, порушенням структури мембран;
Порушенням складу внутрішньоклітинного середовища у вигляді зміни концентрації різних речовин у клітині, зміною в'язкості;
Зміною швидкостей ферментативних реакцій у клітині внаслідок зміни оптимальних концентрацій речовин, необхідні функціонування ферментів.
Зміна проникності клітинних мембран є універсальною реакцією на УЗ-вплив, незалежно від того, який із факторів УЗ, що діють на клітину, домінує в тому чи іншому випадку.
При досить велику інтенсивність УЗ відбувається руйнування мембран. Однак різні клітини мають різну резистентність: одні клітини руйнуються при інтенсивності 0,1 Вт/см 2 , інші - при 25 Вт/см 2 .
У певному інтервалі інтенсивностей біологічні ефекти ультразвуку оборотні. Верхня межа цього інтервалу 0,1 Вт/см 2 при частоті 0,8-2 МГц прийнята як поріг. Перевищення цієї межі призводить до виражених деструктивних змін у клітинах.
Руйнування мікроорганізмів
Опромінення ультразвуком з інтенсивністю, що перевищує поріг кавітації, використовують для руйнування бактерій і вірусів, що є в рідині.
5.5. Використання УЗ у медицині: терапії, хірургії, діагностиці
Деформації під впливом УЗ використовуються при подрібненні чи диспергуванні середовищ.
Явище кавітації використовується для отримання емульсій рідин, що не змішуються, для очищення металів від окалини і жирових плівок.
УЗ-терапія
Терапевтична дія УЗ обумовлена механічним, тепловим, хімічним факторами. Їхня спільна дія покращує проникність мембран, розширює кровоносні судини, покращує обмін речовин, що сприяє відновленню рівноважного стану організму. Дозованим пучком УЗ можна провести м'який масаж серця, легень та інших органів та тканин.
У отоларингології УЗ впливає барабанну перетинку, слизову оболонку носа. У такий спосіб здійснюють реабілітацію хронічного нежитю, хвороб гайморових порожнин.
ФОНОФОРЕЗ -введення за допомогою УЗ тканини через пори шкіри лікарських речовин. Цей метод аналогічний електрофорезу, проте, на відміну електричного поля, УЗ-поле переміщає як іони, а й незарядженічастки. Під дією УЗ збільшується проникність клітинних мембран, що сприяє проникненню лікарських речовин у клітину, тоді як при електрофорез лікарські речовини концентруються в основному між клітинами.
АУТОГЕМОТЕРАПІЯ -внутрішньом'язове введення людині своєї крові, взятої з вени. Ця процедура виявляється більш ефективною, якщо взяту кров перед вливанням опромінити УЗ.
УЗ-опромінення підвищує чутливість клітини до дії хімічних речовин. Це дозволяє створювати менш шкідливі
вакцини, тому що при їх виготовленні можна використовувати хімічні реактиви меншої концентрації.
Попередня дія УЗ посилює дію γ- та НВЧопромінення на пухлини.
У фармацевтичній промисловості ультразвук застосовується для отримання емульсій та аерозолів деяких лікарських речовин.
У фізіотерапії УЗ використовується для локальної дії, що здійснюється за допомогою відповідного випромінювача, контактно накладеного через мазеву основу на певну область тіла.
УЗ-хірургія
УЗ-хірургія поділяється на два різновиди, один з яких пов'язаний із впливом на тканини власне звукових коливань, другий - з накладенням УЗ-коливань на хірургічний інструмент.
Руйнування пухлин.Декілька випромінювачів, укріплених на тілі пацієнта, випускають пучки УЗ, що фокусуються на пухлини. Інтенсивність кожного пучка недостатня для пошкодження здорової тканини, але там, де пучки сходяться, інтенсивність зростає і пухлина руйнується під впливом кавітації і тепла.
В урології за допомогою механічної дії УЗ дроблять каміння у сечових шляхах і цим рятують хворих від операцій.
Зварювання м'яких тканин.Якщо скласти дві розрізані кровоносні судини і притиснути їх один до одного, то після опромінення утворюється зварний шов.
Зварювання кісток(ультразвуковий остеосинтез). Область перелому заповнюють подрібненою кістковою тканиною, змішаною з рідким полімером (ціакрин), який під дією УЗ швидко полімеризується. Після опромінення утворюється міцний зварний шов, який поступово розсмоктується та замінюється кістковою тканиною.
Накладання УЗ-Коливань на хірургічні інструменти(скальпелі, пилки, голки) суттєво знижує зусилля різання, зменшує больові відчуття, надає кровоспинну та стерилізуючу дії. Амплітуда коливань різального інструменту при частоті 20-50 кГц становить 10-50 мкм. УЗ-скальпелі дозволяють проводити операції в дихальних органах без розкриття грудної клітки,
операції у стравоході та на кровоносних судинах. Вводячи довгий і тонкий УЗ-скальпель у вену, можна зруйнувати потовщення холестерину в посудині.
Стерилізація.Згубна дія УЗ на мікроорганізми використовується для стерилізації хірургічних інструментів.
У ряді випадків ультразвук використовують у поєднанні з іншими фізичними впливами, наприклад з кріогенним,при хірургічному лікуванні гемангіом та рубців.
УЗ-діагностика
Ультразвукова діагностика – сукупність методів дослідження здорового та хворого організму людини, заснованих на використанні ультразвуку. Фізичною основою УЗ-діагностики є залежність параметрів поширення звуку в біологічних тканинах (швидкість звуку, коефіцієнт загасання, хвильовий опір) від виду тканини та її стану. УЗ-методи дозволяють здійснити візуалізацію внутрішніх структур організму, і навіть досліджувати рух біологічних об'єктів усередині організму. Основна особливість УЗ-діагностики - можливість отримати інформацію про м'які тканини, які незначно відрізняються за щільністю або пружністю. УЗ-метод дослідження має високу чутливість, може використовуватися для виявлення утворень, що не виявляються за допомогою рентгену, не вимагає застосування контрастних речовин, безболісний і не має протипоказань.
Для діагностичних цілей використовується УЗ частотою від 08 до 15 МГц. Низькі частоти застосовуються при дослідженні глибоко розташованих об'єктів або при дослідженні через кісткову тканину, високі - для візуалізації об'єктів, близько розташованих до поверхні тіла, для діагностики в офтальмології, при дослідженні поверхнево розташованих судин.
Найбільшого поширення в УЗ-діагностиці набули ехолокаційні методи, засновані на відображенні або розсіювання імпульсних УЗ-сигналів. Залежно від способу отримання та характеру подання інформації, прилади для УЗ-діагностики поділяють на 3 групи: одновимірні прилади з індикацією типу А; одновимірні прилади з індикацією типу M; двовимірні прилади з індикацією типу Ст.
При УЗ-діагностиці за допомогою приладу типу А випромінювач, що випускає короткі (тривалістю близько 10 -6 с) УЗ-імпульси, прикладається до ділянки тіла, що досліджується через контактну речовину. У паузах між імпульсами пристрій приймає імпульси, відбиті від різних неоднорідностей в тканинах. Після посилення ці імпульси спостерігаються на екрані електроннопроменевої трубки як відхилень променя від горизонтальної лінії. Повна картина відбитих імпульсів називається одновимірною ехограмою типу А.На малюнку 5.8 показано ехограму, отриману при ехоскопії ока.
Мал. 5.8.Ехоскопія ока по А-методу:
1 - ехосигнал від передньої поверхні рогівки; 2, 3 - ехосигнали від передньої та задньої поверхонь кришталика; 4 - ехосигнал від сітківки та структур заднього полюса очного яблука
Ехограми тканин різного типу відрізняються одна від одної кількістю імпульсів та їх амплітудою. Аналіз ехограми типу А в багатьох випадках дозволяє отримати додаткові відомості про стан, глибину залягання та протяжність патологічної ділянки.
Одномірні прилади з індикацією типу А застосовуються в неврології, нейрохірургії, онкології, акушерстві, офтальмології та інших галузях медицини.
У приладах з індикацією типу M відображені імпульси після посилення подаються на модулюючий електрод електронно-променевої трубки і подаються у вигляді рис, яскравість яких пов'язана з амплітудою імпульсу, а ширина - з його тривалістю. Розгортка цих рисок у часі дає картину окремих структур, що відбивають. Цей тип індикації широко використовується у кардіографії. УЗ-кардіограма може бути зафіксована за допомогою електронно-променевої трубки з пам'яттю або на паперовій стрічці самописця. Цим методом здійснюється запис рухів елементів серця, що дозволяє визначати стеноз мітрального клапана, вроджені вади серця та ін.
При використанні методів реєстрації типів А та M перетворювач перебуває у фіксованому положенні на тілі пацієнта.
У разі індикації типу перетворювач переміщається (здійснює сканування) вздовж поверхні тіла, і на екрані електронно-променевої трубки фіксується двовимірна ехограма, що відтворює поперечний переріз досліджуваної області тіла.
Різновидом методу є мультисканування,при якому механічне переміщення датчика замінюється послідовним електричним перемиканням ряду елементів, що розташовані на одній лінії. Мультисканування дозволяє спостерігати досліджувані перерізи практично реальному масштабі часу. Іншим різновидом методу є секторне сканування, при якому відсутній рух ехозонду, а змінюється кут введення УЗ-променя.
УЗ-прилади з індикацією типу В використовуються в онкології, акушерстві та гінекології, урології, отоларингології, офтальмології та ін. Модифікації приладів типу з мультискануванням і секторним скануванням використовують в кардіології.
Усі ехолокаційні методи УЗ-діагностики дозволяють так чи інакше реєструвати всередині організму межі областей із різними хвильовими опорами.
Новий метод УЗ-діагностики – реконструктивна (або обчислювальна) томографія – дає просторовий розподіл параметрів поширення звуку: коефіцієнта згасання (атенюаційна модифікація методу) або швидкості звуку (рефракційна модифікація). У цьому методі досліджуваний переріз об'єкта прозвучується багаторазово в різних напрямках. Інформація про координати прозвучування і про сигнали у відповідь обробляється на ЕОМ, в результаті чого на дисплеї відображається реконструйована томограма.
Останнім часом почав впроваджуватися метод еластометріїдля дослідження тканин печінки як у нормі, так і при різних стадіях мікрозу. Суть методу така. Датчик встановлюється перпендикулярно до поверхні тіла. За допомогою вібратора, вбудованого в датчик, створюється низькочастотна звукова механічна хвиля (ν = 50 Гц, А = 1 мм), швидкість розповсюдження якої по тканинах печінки оцінюється за допомогою ультразвуку з частотою ν = 3,5 МГц (по суті, здійснюється ехолокація ). З використанням
модуль Е (еластичність) тканини. Для пацієнта проводиться серія вимірів (не менше 10) у міжреберних проміжках у проекції положення печінки. Аналіз всіх даних відбувається автоматично, апарат видає кількісну оцінку еластичності (щільності), яка представляється як у числовому, так і кольоровому вигляді.
Для отримання інформації про структури організму, що рухаються, використовуються методи і прилади, робота яких заснована на ефекті Доплера. Такі прилади містять, як правило, два п'єзоелементи: випромінювач УЗ, що працює в безперервному режимі, і приймач відбитих сигналів. Вимірюючи доплерівський зсув частоти УЗ-хвилі, відбитої від рухомого об'єкта (наприклад, від стінки судини), визначають швидкість руху об'єкта, що відображає (див. формулу 2.9). У найбільш досконалих приладах цього застосовується імпульсно-доплерівський (когерентний) спосіб локації, що дозволяє виділити сигнал з певної точки простору.
Прилади з використанням ефекту Доплера застосовують для діагностики захворювань серцево-судинної системи (визначення
руху ділянок серця та стінок судин), в акушерстві (дослідження серцебиття плода), для дослідження кровотоку та ін.
Здійснюється дослідження органів через стравохід, з яким вони межують.
Зіставлення ультразвукового та рентгенівського «просвічувань»
У деяких випадках ультразвукове просвічування має перевагу перед рентгенівським. Це з тим, що рентгенівські промені дають чітке зображення «твердих» тканин і натомість «м'яких». Так, наприклад, на тлі м'яких тканин добре видно кістки. Для отримання рентгенівського зображення м'яких тканин на тлі інших м'яких тканин (наприклад, кровоносна судина на тлі м'язів) посудину потрібно заповнити речовиною, що добре поглинає рентгенівське випромінювання (контрастна речовина). Ультразвукове просвічування завдяки вже зазначеним особливостям дає в цьому випадку зображення без застосування контрастних речовин.
p align="justify"> При рентгенівському обстеженні диференціюється різниця щільностей до 10%, при ультразвуковому - до 1%.
5.6. Інфразвук та його джерела
Інфразвук- Пружні коливання та хвилі з частотами, що лежать нижче області чутних людиною частот. Зазвичай верхню межу інфразвукового діапазону приймають 16-20 Гц. Таке визначення умовне, оскільки за достатньої інтенсивності слухове сприйняття виникає і частотах в одиниці Гц, хоча у своїй зникає тональний характер відчуття і робляться помітними лише окремі цикли коливань. Нижня частотна межа інфразвуку невизначена; в даний час область його вивчення тягнеться вниз приблизно до 0,001 Гц.
Інфразвукові хвилі поширюються в повітряному та водному середовищах, а також у земній корі (сейсмічні хвилі). Основна особливість інфразвуку, обумовлена його низькою частотою, – мале поглинання. При поширенні в глибокому морі та в атмосфері на рівні землі інфразвукові хвилі частоти 10-20 Гц загасають на відстані 1000 км не більше ніж на кілька децибелів. Відомо, що звуки
вивержень вулканів та атомних вибухів можуть багаторазово обходити навколо земної кулі. Через велику довжину хвилі мало і розсіювання інфразвуку. У природних середовищах помітне розсіювання створюють дуже великі об'єкти - пагорби, гори, високі будівлі.
Природними джерелами інфразвуку є метеорологічні, сейсмічні та вулканічні явища. Інфразвук генерується атмосферними та океанічними турбулентними флуктуаціями тиску, вітром, морськими хвилями (зокрема і приливними), водоспадами, землетрусами, обвалами.
Джерелами інфразвуку, пов'язаними з людською діяльністю, є вибухи, гарматні постріли, ударні хвилі від надзвукових літаків, удари копрів, робота реактивних двигунів та ін Інфразвук міститься в шумі двигунів та технологічного обладнання. Вібрації будівель, створювані виробничими та побутовими збудниками, зазвичай містять інфразвукові компоненти. Істотний внесок у інфразвукове забруднення середовища дають транспортні шуми. Наприклад, легкові автомобілі на швидкості 100 км/год створюють інфразвук із рівнем інтенсивності до 100 дБ. У моторному відділенні великих суден зареєстровані інфразвукові коливання, створювані працюючими двигунами, з частотою 7-13 Гц і рівнем інтенсивності 115 дБ. На верхніх поверхах висотних будівель, особливо при сильному вітрі, рівень інтенсивності інфразвуку досягає
Інфразвук майже неможливо ізолювати – на низьких частотах усі звукопоглинаючі матеріали практично повністю втрачають свою ефективність.
5.7. Вплив інфразвуку на людину. Використання інфразвуку в медицині
На людину інфразвук має, як правило, негативну дію: викликає пригнічений настрій, втому, головний біль, роздратування. У людини, підданої впливу інфразвуку низької інтенсивності, з'являються симптоми морської хвороби, нудота, запаморочення. З'являється біль голови, підвищується стомлюваність, слабшає слух. При частоті 2-5 Гц
і рівні інтенсивності 100-125 дБ суб'єктивна реакція зводиться до відчуття тиску у вусі, утруднення при ковтанні, вимушеної модуляції голосу та утруднення мови. Вплив інфразвуку негативно позначається на зір: погіршуються зорові функції, знижується гострота зору, звужується поле зору, послаблюється акомодаційна здатність, порушується стійкість фіксації об'єкта, що спостерігається.
Шум на частоті 2-15 Гц при рівні інтенсивності 100 дБ призводить до зростання помилки стеження за стрілочними індикаторами. Виявляється судомне посмикування очного яблука, порушення функції органів рівноваги.
Льотчики і космонавти, піддані тренуванням впливу інфразвуку, повільніше вирішували навіть прості арифметичні завдання.
Існує припущення, що різні аномалії в стані людей за поганої погоди, які пояснюються кліматичними умовами, є насправді наслідком впливу інфразвукових хвиль.
При середній інтенсивності (140-155 дБ) можуть наступати непритомність, тимчасова втрата зору. При більших інтенсивностях (близько 180 дБ) може настати параліч зі смертельними наслідками.
Припускають, що негативний вплив інфразвуку пов'язані з тим, що у інфразвукової області лежать частоти своїх коливань деяких органів прокуратури та частин тіла людини. Це спричиняє небажані резонансні явища. Вкажемо деякі частоти власних коливань для людини:
Тіло людини у положенні лежачи - (3-4) Гц;
Грудна клітка - (5-8) Гц;
Черевна порожнина – (3-4) Гц;
Очі – (12-27) Гц.
Особливо шкідливий вплив інфразвуку на серце. При достатній потужності виникають вимушені коливання серцевого м'яза. При резонансі (6-7 Гц) їхня амплітуда зростає, що може призвести до крововиливу.
Використання інфразвуку в медицині
В останні роки інфразвук стали широко застосовувати у медичній практиці. Так, в офтальмології інфразвукові хвилі
з частотами до 12 Гц використовуються при лікуванні короткозорості. При лікуванні захворювань повік використовується інфразвук для фонофорезу (рис. 5.9), а також для очищення ранових поверхонь, для покращення гемодинаміки та регенерації у віках, масажу (рис. 5.10) тощо.
На малюнку 5.9 показано застосування інфразвуку для лікування аномалії розвитку сльозовідвідних шляхів у новонароджених.
На одному з етапів лікування здійснюється масаж слізного мішка. При цьому генератор інфразвуку створює надлишковий тиск у слізному мішку, що сприяє розриву ембріональної тканини у сльозоносовому каналі.
Мал. 5.9.Схема інфразвукового фонофорезу
Мал. 5.10.Масаж слізного мішка
5.8. Основні поняття та формули. Таблиці
Таблиця 5.1.Коефіцієнт поглинання та глибина напівпоглинання на частоті 1 МГц
Таблиця 5.2.Коефіцієнт відбиття на межах різних тканин
5.9. Завдання
1. Відображення хвиль від дрібних неоднорідностей стає помітним, коли їх розміри перевершують довжину хвилі. Оцінити мінімальний розмір d ниркового каменю, який може бути виявлений методом діагностики УЗ при частоті ν = 5 МГц. Швидкість УЗ-хвиль v= 1500 м/с.
Рішення
Знайдемо довжину хвилі: λ = v/ν = 1500/(5*10 6) = 0,0003 м = 0,3 мм. d > λ.
Відповідь: d> 0,3 мм.
2. У деяких фізіотерапевтичних процедурах використовується ультразвук частоти = 800 кГц і інтенсивності I = 1 Вт/см 2 . Знайти амплітуду коливання молекул м'яких тканин.
Рішення
Інтенсивність механічних хвиль визначається формулою (2.6)
Щільність м'яких тканин ρ «1000 кг/м3.
кругова частота ω = 2πν ≈ 2х3,14х800х10 3 ≈ 5х10 6 з -1;
швидкість ультразвуку у м'яких тканинах ν ≈ 1500 м/с.
Необхідний переведення інтенсивності СІ: I = 1 Вт/см 2 = 10 4 Вт/м 2 .
Підставивши чисельні значення в останню формулу, знайдемо:
Таке мале зміщення молекул під час проходження ультразвуку свідчить про те, що його дія проявляється на клітинному рівні. Відповідь:А = 0,023 мкм.
3. Сталеві деталі перевіряють якість ультразвуковим дефектоскопом. На якій глибині h в деталі виявлена тріщина і яка товщина деталі d, якщо після випромінювання ультразвукового сигналу були отримані два відбиті сигнали через 0,1 мс і 0,2 мс? Швидкість поширення ультразвукової хвилі у сталі дорівнює v= 5200 м/с.
Рішення
2h = tv → h = tv/2. Відповідь: h = 26 см; d = 52 см.
Ультразвук- Пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо сприймає пружні хвилі, що поширюються в середовищі, частотою приблизно до 16-20 кГц; коливання з вищою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20000 до мільярда Гц. Звукові коливання із вищою частотою називають гіперзвуком. У рідинах та твердих тілах звукові коливання можуть досягати 1000 ГГц.
Хоча про існування ультразвуку вченим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці та промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується у різних галузях фізики, технології, хімії та медицини.
Джерела ультразвукуЧастота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз та дзеркал. Ультразвуковий пучок із необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
У природі УЗ зустрічається як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, в звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.
Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворюють вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.
Поширення ультразвуку.
Поширення ультразвуку - це процес переміщення у просторі та в часі збурень, що мають місце у звуковій хвилі.
Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, у тому напрямку, в якому відбувається зміщення частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрядження та стиснення певних обсягів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більший питомий акустичне опір середовища, тим більше ступінь стиснення і розрядження середовища при даній амплітуді коливань.
Частинки середовища, що у передачі енергії хвилі, коливаються біля становища свого рівноваги. Швидкість, з якою частинки коливаються біля середнього положення рівноваги, називається коливальною.
швидкістю.
При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції та відображення.
Дифракція (обгинання хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами перешкоди, що перебуває на шляху. Якщо перешкода проти довжиною акустичної хвилі велика, то явища дифракції немає.
При одночасному русі в тканині декількох ультразвукових хвиль у певній точці середовища може відбуватися суперпозиція цих хвиль. Таке накладання хвиль друг на друга зветься інтерференції. Якщо у процесі проходження через біологічний об'єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то певній точці біологічного середовища спостерігається посилення чи ослаблення коливань. Результат інтерференції залежатиме від просторового співвідношення фаз ультразвукових коливань у цій точці середовища. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), зміщення частинок мають однакові знаки та інтерференція в таких умовах сприяє збільшенню амплітуди ультразвукових коливань. Якщо ультразвукові хвилі приходять до конкретної ділянки в протифазі, то зміщення частинок супроводжуватиметься різними знаками, що призводить до зменшення амплітуди ультразвукових коливань.
Інтерференція відіграє важливу роль в оцінці явищ, що виникають у тканинах навколо ультразвукового випромінювача. Особливо велике значення має інтерференція при поширенні ультразвукових хвиль у протилежних напрямках після відбиття від перешкоди.
Якщо середовище, в якому відбувається поширення ультразвуку, має в'язкість і теплопровідність або в ній є інші процеси внутрішнього тертя, то при поширенні хвилі відбувається поглинання звуку, тобто в міру віддалення від джерела амплітуда ультразвукових коливань стає менше, так само як і енергія, яку вони несуть. Середовище, в якому поширюється ультразвук, вступає у взаємодію з енергією, що проходить через нього, і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється на тепло, менша частина викликає в передавальної речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя частинок один про одного, у різних середовищах воно по-різному. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційне квадрату частоти.
Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в середовищі, що опромінюється. Зі зростанням частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань серед зменшується за експоненційним законом. Цей процес обумовлений внутрішнім тертям, теплопровідністю поглинаючого середовища та її структурою. Його орієнтовно характеризує величина напівпоглинаючого шару, яка показує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується вдвічі (точніше в 2718 рази або на 63%). По Пальман при частоті, що дорівнює 0,8 МГц середні величини напівпоглинаючого шару для деяких тканин такі: жирова тканина - 6,8 см; м'язова – 3,6 см; жирова та м'язова тканини разом - 4,9 см. Зі збільшенням частоти ультразвуку величина напівпоглинаючого шару зменшується. Так при частоті, що дорівнює 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову та м'язову тканини, зменшується вдвічі на глибині 1,5 см.
Крім того, можливе аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань у деяких діапазонах частот – це залежить від особливостей молекулярної будови цієї тканини. Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку згасає на молекулярному рівні та 1/3 на рівні мікроскопічних тканинних структур.
Під глибиною проникнення ультразвуку розуміють глибину, коли інтенсивність зменшується на половину. Ця величина обернено пропорційна поглинанню: чим сильніше середовище поглинає ультразвук, тим менша відстань, на якій інтенсивність ультразвуку послаблюється наполовину.
Якщо середовищі є неоднорідності, відбувається розсіювання звуку, що може істотно змінити просту картину поширення ультразвуку і, зрештою, також викликати згасання хвилі у початковому напрямі поширення.
Так як акустичний опір м'яких тканин людини ненабагато відрізняється від опору води, можна припускати, що на межі поділу середовищ (епідерміс - дерма - фасція - м'яз) спостерігатиметься заломлення ультразвукових хвиль.
На явище відображення заснована ультразвукова діагностика. Відображення відбувається в прикордонних областях шкіри та жиру, жиру та м'язів, м'язів та кісток. Якщо ультразвук при поширенні наштовхується на перешкоду, відбувається відображення, якщо перешкода мало, то ультразвук його як би обтікає. Неоднорідності організму не викликають значних відхилень, оскільки порівняно з довжиною хвилі (2 мм) їх розмірами (0,1-0,2 мм) можна знехтувати. Якщо ультразвук на своєму шляху наштовхується на органи, розміри яких більші за довжину хвилі, то відбувається заломлення та відображення ультразвуку. Найбільш сильне відображення спостерігається на межах кістка - навколишні тканини і тканини - повітря. У повітря мала щільність і спостерігається практично повне відбиття ультразвуку. Відображення ультразвукових хвиль спостерігається на межі м'яз - окістя - кістка, на поверхні порожнистих органів.
Якщо при поширенні ультразвукових хвиль у середовищі не відбувається їх відображення, утворюються хвилі, що біжать. В результаті втрат енергії коливальні рухи частинок середовища поступово згасають, і чим далі розташовані частинки від випромінюючої поверхні, тим менше амплітуда їх коливань. Якщо ж на шляху поширення ультразвукових хвиль є тканини з різними питомими акустичними опорами, то тією чи іншою мірою відбувається відображення ультразвукових хвиль від прикордонного розділу. Накладення ультразвукових хвиль, що падають і відбиваються, може призводити до виникнення стоячих хвиль. Для виникнення стоячих хвиль відстань від поверхні випромінювача до поверхні, що відбиває, повинна бути кратною половині довжини хвилі.
Ультразвук
Ультразвук- пружні коливання із частотою поза чутності в людини. Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають частоти вище 18000 герц.
Хоча про існування ультразвуку відомо давно, його практичне використання досить молоде. У наш час ультразвук широко застосовується у різних фізичних та технологічних методах. Так, за швидкістю поширення звуку серед судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з дуже малими похибками визначати, наприклад, адіабатичні характеристики швидкоплинних процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні тверді тіла.
Частота ультразвукових коливань, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Такі коливання зазвичай виробляють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів з титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
У природі УЗ зустрічається як як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, в звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.
Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворюють вже задані коливання електричної напруги або струму на механічне коливання твердого тіла, яке випромінює в довкілля акустичні хвилі.
Перший ультразвуковий свисток зробив 1883 року англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно до звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря у свистку Гальтона грає «губа» у маленькій циліндричній резонансній порожнині. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю «губу»; виникають коливання, частота яких (вона становить близько 170 кГц) визначається розмірами сопла та губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак та кішок.
Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвуку рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони мають істотну перевагу. Так як ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища до іншого. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція ультразвукового свистка рідини, виготовленого англійськими вченими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років XX століття. У ньому потік рідини під високим тиском виходить із еліптичного сопла і прямує на сталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкого поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки пластинка, що коливається) такі системи довговічні і недорогі.
Інший різновид механічних джерел ультразвуку - сирена. Вона має відносно велику потужність і застосовується в поліцейських і пожежних машинах. Усі ротаційні сирени складаються з камери, закритої зверху диском (статором), у якому зроблено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску, що обертається всередині камери - роторі. При обертанні ротора положення отворів у ньому періодично збігається з положенням отворів на статорі. У камеру безперервно подається стиснене повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі та статорі збігаються.
Основне завдання при виготовленні сирен - це по-перше - зробити якнайбільше отворів у роторі, по-друге - досягти великої швидкості його обертання. Однак практично виконати ці вимоги дуже важко.
Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості порівняно з рентгенівськими променями та простотою використання у порівнянні з магнітно-резонансною томографією ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевній порожнині та порожнині тазу.
Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. ультразвукове дослідження), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.
Ультразвук має дію:
Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканині діють ультразвуком і лікувальними речовинами, що вводяться з його допомогою (як медикаментами, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу та шкірних залоз, клітинних мембран та стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо – іонів мінералів бішофіту. Зручність ультрафонофорезу медикаментів та природних речовин:
Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, п'яткова шпора, стан після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.
Наноситься бішофіт-гель та робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофорезу (при УФФ суглобів, хребта інтенсивність у ділянці шийного відділу - 0,2-0,4 Вт/см2., у ділянці грудного та поперекового відділу - 0,4-0,6 Вт/см2).
На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад, у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото повністю замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше за фрезерний верстат і обробляти ним металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом.
Ультразвуком можна робити гвинтову нарізку в металевих деталях, у склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім деталь вже піддають гартуванню. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі та у найтвердіших сплавах. Те саме і зі штампами. Зазвичай штамп гартують вже після його ретельного оздоблення. На ультразвуковому верстаті найскладнішу обробку виготовляє абразив (наждак, корундовий порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно вагаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблений сплав і вирізають отвір такої ж форми, як і в долота.
Широко застосовується ультразвук для виготовлення однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві рідини, що не змішуються (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна зависла олії у воді. Подібні емульсії грають велику роль промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.
Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування у біологічних дослідженнях, наприклад, за необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії та хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їхньою структурою та функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може зашкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій відіграє велику роль у селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.
Застосування ультразвуку для механічного очищення ґрунтується на виникненні під його впливом у рідині різних нелінійних ефектів. До них належать кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль грає кавітація. Її бульбашки, виникаючи і плескаючись поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Використовуваний для цього ультразвук має низьку частоти і підвищену потужність.
У лабораторних та виробничих умовах для миття дрібних деталей та посуду застосовуються ультразвукові ванни заполонені розчинником (вода, спирт тощо). Іноді з їх допомогою від частинок землі миють навіть коренеплоди (картопля, морква, буряк та ін.).
Для контролю витрати та обліку води та теплоносія з 60-х років минулого століття в промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.
Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів цих матеріалів. Останнім часом розвивається напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.
Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, яке здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрів яких утруднений, або при з'єднанні різнорідних металів або металів з міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі сталі, магнітопроводи з пермалою тощо). Так застосовується під час виробництва інтегральних мікросхем.
Російська енциклопедія з охорони праці
Пружні хвилі із частотами прибл. від (1,52) 104Гц (15 20 кГц) до 109 Гц (1 ГГц); область частот У. від 109 до 1012 1013 Гц прийнято зв. гіперзвуком. Область частот У. зручно поділяти на три діапазони: У. низьких частот (1,5 104 105 Гц), У. … Фізична енциклопедія
УЛЬТРАЗВУК, що не чують людським вухом пружні хвилі, частоти яких перевищують 20 кГц. Ультразвук міститься в шумі вітру і моря, видається і сприймається рядом тварин (кажани, дельфіни, риби, комахи та ін), присутній в шумі ... Сучасна енциклопедія
Пружні хвилі, що не чують людським вухом, частоти яких перевищують 20 кГц. Ультразвук міститься в шумі вітру і моря, видається і сприймається рядом тварин (кажани, риби, комахи та ін), присутній в шумі машин. Застосовується в ... Великий Енциклопедичний словник
Пружні хвилі із частотою коливань від 20 кГц до 1 ГГц. Найважливіші сфери застосування ультразвуку гідролокація, звукопідводний зв'язок, навігація, самонаведення зброї, глибоководні дослідження тощо EdwART. Тлумачний Військово морський Словник, 2010 …
Ультразвук- пружні коливання та хвилі з частотами вище діапазону чутності людини.
21-е століття - століття радіоелектроніки, атома, підкорення космосу та ультразвуку. Порівняно молода в наші дні наука про ультразвук. Наприкінці 19 століття П. М. Лебедєв, російський вчений-фізіолог, провів його перші дослідження. Після цього ультразвуком почали займатися багато видатних учених.
Ультразвук - це хвилеподібний коливальний рух, що поширюється, який здійснюють частинки середовища. Він має свої особливості, якими відрізняється від звуків чутного діапазону. Порівняно легко в ультразвуковому діапазоні отримати спрямоване випромінювання. До того ж він добре фокусується, і в результаті цього підвищується інтенсивність коливань. При поширенні у твердих тілах, рідинах та газах ультразвук народжує цікаві явища, що знайшли практичне застосування у багатьох галузях техніки та науки. Ось що таке ультразвук, роль якого у різних сферах життя сьогодні дуже велика.
Ультразвук останніми роками став грати в наукових дослідженняхвсе більшу роль. Були успішно проведені експериментальні та теоретичні дослідження в галузі акустичних течій та ультразвукової кавітації, що дозволило вченим розробити технологічні процеси, які протікають при впливі в рідкій фазі ультразвуку. Він є потужним методом дослідження різноманітних явищ у такій галузі знання, як фізика. Ультразвук застосовується, наприклад, у фізиці напівпровідників та твердого тіла. Сьогодні формується окремий напрямок хімії, що отримав назву "ультразвукова хімія". Її застосування дозволяє прискорити велику кількість хіміко-технологічних процесів. З'явилися також молекулярна акустика – новий розділ акустики, який вивчає молекулярну взаємодію з речовиною З'явилися нові сфери застосування ультразвуку: голографія, інтроскопія, акустоелектроніка, ультразвукова фазомірія, квантова акустика.
Крім експериментальних та теоретичних робіт у цій галузі, сьогодні було виконано безліч практичних. Розроблено спеціальні та універсальні ультразвукові верстати, установки, які працюють під підвищеним статичним тиском та ін. Впроваджено у виробництво ультразвукові автоматичні установки, включені в потокові лінії, що дозволяє суттєво підвищити продуктивність праці.
Розкажемо докладніше про те, що таке ультразвук. Ми вже говорили про те, що це пружні хвилі та ультразвуку становить понад 15-20 кГц. Суб'єктивними властивостями нашого слуху визначається нижня межа ультразвукових частот, яка відокремлює її від частоти чутного звуку. Цей кордон, таким чином, є умовним, і кожен з нас по-різному визначає, що таке ультразвук. Верхня межа позначена пружними хвилями, їхньою фізичною природою. Вони поширюються лише в матеріальному середовищі, тобто довжина хвилі повинна бути істотно більшою, ніж довжина вільного пробігу наявних у газі молекул або міжатомних відстаней у твердих тілах і рідинах. При нормальному тиску в газах верхня межа частот УЗ - 109 Гц, а твердих тілах і рідинах - 1012-1013 Гц.
Ультразвук у природі зустрічається і як компонент безлічі природних шумів (водоспаду, вітру, дощу, гальки, що перекочується прибоєм, а також у звуках, що супроводжують розряди грози і т. д.), і як невід'ємна частина тваринного світу. Їм деякі види тварин користуються для орієнтування у просторі, виявлення перешкод. Відомо, крім того, що ультразвук у природі використовують дельфіни (переважно частоти від 80 до 100 кГц). Дуже великий при цьому може бути потужність локаційних сигналів, що випромінюються ними. Відомо, що дельфіни здатні виявляти одвірки риб, що знаходяться на відстані до кілометра від них.
Випромінювачі (джерела) ультразвуку діляться на 2 великі групи. Перша - це генератори, у яких коливання порушуються через наявність у яких перешкод, встановлених шляху руху постійного потоку - струменя рідини чи газу. Друга група, в яку можна об'єднати джерела ультразвуку, - електроакустичні перетворювачі, які перетворюють задані коливання струму або електричної напруги на механічне коливання, яке здійснюється твердим тілом, що випромінює акустичні хвилі в навколишнє середовище.
На середніх і приймачах ультразвуку виступають найчастіше п'єзоелектричного типу електроакустичні перетворювачі. Вони можуть відтворювати форму отриманого акустичного сигналу, представлену як часова залежність звукового тиску. Прилади можуть бути або широкосмуговими або резонансними - залежно від того, для яких умов застосування вони призначені. Термічні приймачі використовують отримання характеристик звукового поля, усереднених за часом. Вони є покриті звукопоглинаючою речовиною термістори або термопари. Звуковий тиск та інтенсивність можна оцінювати також оптичними методами, такими як дифракція світла на УЗ.
Існує безліч сфер застосування, при цьому використовуються різні особливості ультразвуку. Ці сфери можна розбити умовно втричі напрями. Перше пов'язані з отриманням у вигляді УЗ-хвиль різної інформації. Другий напрямок - активний вплив його на речовину. А третє пов'язане з передачею та обробкою сигналів. УЗ певного використовується у кожному конкретному випадку. Ми розповімо тільки про деякі з багатьох областей, у яких він знайшов своє застосування.
Якість такого очищення не можна порівняти з іншими способами. При полосканні деталей, наприклад, лежить на поверхні їх зберігається до 80% забруднень, близько 55 % - при вібраційної очищенні, близько 20 % - при ручної, а за ультразвукової залишається трохи більше 0,5 % забруднень. Деталі, які мають складну форму, можна добре очистити лише за допомогою ультразвуку. Важливою перевагою використання є висока продуктивність, і навіть малі витрати фізичної праці. Більш того, можна замінити дорогі та вогненебезпечні органічні розчинники дешевими та безпечними водними розчинами, застосовувати рідкий фреон та ін.
Серйозна проблема - забруднення повітря кіптявою, димом, пилом, оксидами металів і т. д. Можна використовувати ультразвуковий спосіб очищення повітря та газу в газовідведення незалежно від вологості середовища та температури. Якщо УЗ-випромінювач помістити в пилоосадову камеру, у сотні разів збільшиться ефективність її дії. У чому полягає сутність такої очищення? Порошинки, що безладно рухаються в повітрі, сильніше і частіше ударяються один про одного під дією ультразвукових коливань. При цьому їх розмір збільшується за рахунок того, що вони зливаються. Коагуляцією називається процес укрупнення частинок. Спеціальними фільтрами вловлюються обтяжені та укрупнені їх скупчення.
Якщо ввести між оброблюваною деталлю і робочою поверхнею інструменту, що використовує ультразвук, то частки абразиву при роботі випромінювача впливатимуть на поверхню цієї деталі. При цьому руйнується матеріал і видаляється, піддаючись обробці під дією множини спрямованих мікроударів. Кінематика обробки складається з основного руху - різання, тобто здійснюваних інструментом поздовжніх коливань, та допоміжного - руху подачі, які здійснює апарат.
Ультразвук може виконувати різні роботи. Для абразивних зерен джерелом енергії є поздовжні коливання. Вони і руйнують матеріал, що обробляється. Рух подачі (допоміжний) може бути круговим, поперечним та поздовжнім. Обробка за допомогою ультразвуку має більшу точність. Залежно від цього, яку зернистість має абразив, вона становить від 50 до 1 мк. Використовуючи інструменти різної форми, можна робити не тільки отвори, але також складні вирізи, криволінійні осі, гравірувати, шліфувати, виготовляти матриці і навіть свердлити алмаз. Використовувані як абразив матеріали – корунд, алмаз, кварцовий пісок, кремінь.
Ультразвук у техніці часто використовується в галузі радіоелектроніки. У цій сфері часто виникає необхідність затримати електричний сигнал щодо якогось іншого. Вчені знайшли вдале рішення, запропонувавши використовувати ультразвукові лінії затримки (скорочено – ЛЗ). Їхня дія заснована на тому, що електричні імпульси перетворюються на ультразвукові. Як же це відбувається? Справа в тому, що швидкість ультразвуку істотно менша, ніж та, яку розвивають Імпульс напруги після зворотного перетворення в електричні механічних коливань буде затриманий на виході лінії щодо вхідного імпульсу.
П'єзоелектричні та магнітострикційні перетворювачі використовують для перетворення електричних коливань в механічні і назад. ЛЗ відповідно до цього поділяються на п'єзоелектричні та магнітострикційні.
Різні види ультразвуку використовуються для впливу на живі організми. У медичній практиці його використання зараз дуже популярне. Воно ґрунтується на ефектах, що виникають у біологічних тканинах тоді, коли через них проходить ультразвук. Хвилі викликають коливання частинок середовища, що створює своєрідний мікромасаж тканин. А поглинання ультразвуку веде до їхнього локального нагрівання. Водночас у біологічних середовищах відбуваються певні фізико-хімічні перетворення. Ці явища у разі помірної інтенсивності звуку необоротних ушкоджень не викликають. Вони тільки покращують обмін речовин, а значить і сприяють життєдіяльності схильного до них організму. Такі явища застосовуються в УЗ-ної терапії.
Кавітація та сильне нагрівання при більших інтенсивностях призводять до руйнування тканин. Цей ефект застосовується сьогодні в хірургії. Фокусний ультразвук використовують для хірургічних операцій, що дозволяє здійснювати локальні руйнування в самих глибинних структурах (наприклад, мозку), не пошкоджуючи оточуючі. У хірургії також використовують ультразвукові інструменти, в яких робочий кінець має вигляд пилки, скальпеля, голки. Коливання, що накладаються на них, надають нових якостей цим приладам. Необхідне зусилля значно знижується, отже, зменшується травматизм операції. До того ж проявляється знеболюючий та кровоспинний ефект. Вплив тупим інструментом із застосуванням ультразвуку використовується для руйнування деяких видів новоутворень, що з'явилися в організмі.
Вплив на біологічні тканини здійснюється для руйнування мікроорганізмів та використовується у процесах стерилізації лікарських засобів та медичних інструментів.
В основному йдеться про дослідження черевної порожнини. Для цього використовується спеціальний апарат. Ультразвук може застосовуватися для знаходження та розпізнавання різних аномалій тканин та анатомічних структур. Завдання часто таке: існує підозра на наявність злоякісної освіти і потрібно відрізнити її від утворення доброякісної чи інфекційної.
Ультразвук корисний при дослідженні печінки та для вирішення інших завдань, до яких відноситься виявлення непрохідності та захворювань жовчних проток, а також дослідження жовчного міхура для виявлення наявності в ньому каменів та інших патологій. Крім того, може застосовуватись дослідження цирозу та інших дифузних доброякісних захворювань печінки.
У галузі гінекології, головним чином під час аналізу яєчників і матки, застосування ультразвуку є протягом багато часу головним напрямом, у якому воно здійснюється особливо успішно. Найчастіше тут також потрібна диференціація доброякісних і злоякісних утворень, що зазвичай вимагає найкращого контрастного і просторового дозволу. Подібні висновки можуть бути корисними і при дослідженні багатьох інших внутрішніх органів.
Ультразвук також знайшов своє застосування в стоматології, де він використовується для видалення зубного каменю. Він дозволяє швидко, безкровно та безболісно зняти наліт та камінь. При цьому слизова порожнина рота не травмується, а "кишені" порожнини знезаражуються. Замість болю пацієнт відчуває відчуття теплоти.
Якщо тіло коливається в пружному середовищі швидше, ніж середовище встигає обтікати його, воно своїм рухом то стискає, то розріджує середовище. Шари підвищеного і зниженого тиску розбігаються від тіла, що коливається на всі боки і утворюють звукові хвилі. Якщо коливання тіла, що створює хвилю, йдуть один за одним не рідше, ніж 16 разів на секунду не частіше, ніж 18 тисяч разів на секунду, то людське вухо чує їх.
Частоти 16 – 18000 Гц, які здатний сприймати слуховий апарат людини прийнято називати звуковими, наприклад писк комара» 10 кГц. Але повітря, глибини морів і земні надра наповнені звуками, що лежать нижче і вище від цього діапазону - інфра та ультразвуками. У природі ультразвук зустрічається як компонент багатьох природних шумів: у шумі вітру, водоспаду, дощу, морської гальки, що перекочується прибою, в грозових розрядах. Багато ссавців, наприклад кішки та собаки, мають здатність сприйняття ультразвуку частотою до 100 кГц, а локаційні здібності кажанів, нічних комах і морських тварин всім добре відомі. Існування нечутних звуків було з розвитком акустики наприкінці ХІХ століття. Тоді ж розпочалися перші дослідження ультразвуку, але основи його застосування були закладені лише у першій третині XX століття.
Нижню межу ультразвукового діапазону називають пружні коливання частотою від 18 кГц. Верхня межа ультразвуку визначається природою пружних хвиль, які можуть поширюватися лише за умови, що довжина хвилі значно більша за довжину вільного пробігу молекул (у газах) або міжатомних відстаней (у рідинах і газах). У газах верхня межа становить 106 кГц, у рідинах і твердих тілах 1010 кГц. Як правило, ультразвуком називають частоти до 106 кГц. Вищі частоти прийнято називати гіперзвуком.
Ультразвукові хвилі за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підпорядковуються тим самим фізичним законам. Проте, ультразвук має специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці і техніці. Ось основні з них:
Увага до акустиці викликано потребами морського флоту провідних держав - Англії та Франції, т.к. акустичний – єдиний вид сигналу, здатний далеко поширюватися у воді. У 1826 році французький вчений Колладонвизначив швидкість звуку у воді. Експеримент Колладона вважається народженням сучасної гідроакустики. Удар у підводний дзвін у Женевському озері відбувався з одночасним підпалом пороху. Спалах від пороху спостерігався Колладоном на відстані 10 миль. Він також чув звук дзвону за допомогою підводної труби. Вимірюючи часовий інтервал між цими двома подіями, Колладон обчислив швидкість звуку – 1435 м/сек. Різниця із сучасними обчисленнями лише 3 м/сек.
У 1838 року, США, звук вперше застосували визначення профілю морського дна з метою прокладання телеграфного кабелю. Джерелом звуку, як і в досвіді Колладона, був дзвін під водою, а приймачем великі слухові труби, що опускалися за борт корабля. Результати досвіду виявилися невтішними. Звук дзвона (як, втім, і підрив у воді порохових патронів), давав надто слабку луну, майже не чутну серед інших звуків моря. Треба було йти в область вищих частот, що дозволяють створювати спрямовані звукові пучки.
Перший генератор ультразвукузробив у 1883 році англієць Френсіс Гальтон. Ультразвук створювався подібно до свисту на вістря ножа, якщо на нього дмухати. Роль такого вістря у свистку Гальтона грав циліндр із гострими краями. Повітря або інший газ, що виходить під тиском через кільцеве сопло, діаметром таким же, як і край циліндра, набігав на край, і виникали високочастотні коливання. Продуваючи свисток воднем вдалося отримати коливання до 170 кГц.
У 1880 році П'єр та Жак Кюрізробили вирішальне для ультразвукової техніки відкриття. Брати Кюрі помітили, що при тиску на кристали кварцу генерується електричний заряд, прямо пропорційний силі, що прикладається до кристала. Це було названо " п'єзоелектрику " від грецького слова, що означає " натиснути " . Крім того, вони продемонстрували зворотний п'єзоелектричний ефект, який проявлявся тоді, коли електричний потенціал, що швидко змінюється, застосовувався до кристала, викликаючи його вібрацію. Відтепер з'явилася технічна можливість виготовлення малогабаритних випромінювачів та приймачів ультразвуку.
Загибель "Титаніка" від зіткнення з айсбергом, необхідність боротьби з новою зброєю - підводними човнами вимагали швидкого розвиткуультразвукової гідроакустики. У 1914 році французький фізик Поль ЛанжевенРазом з талановитим російським вченим-емігрантом - Костянтином Васильовичем Шиловським вперше розробили гідролокатор, що складається з випромінювача ультразвуку і гідрофону - приймача УЗ коливань, заснований на пьезоэффекте. Гідролокатор Ланжевена - Шиловського, був першим ультразвуковим пристроєм, що застосовувалися на практиці Тоді ж російський учений С.Я.Соколов розробив основи ультразвукової дефектоскопії у промисловості. 1937 року німецький лікар-психіатр Карл Дусік, разом із братом Фрідріхом, фізиком, вперше застосували ультразвук для виявлення пухлин головного мозку, але результати, отримані ними, виявилися недостовірними. У медичній практиці ультразвук вперше став застосовуватися лише з 50-х років XX століття США.
Випромінювачі ультразвуку можна розділити на дві великі групи:
1) Коливання збуджуються перешкодами по дорозі струменя газу чи рідини, чи перериванням струменя газу чи рідини. Використовуються обмежено, переважно отримання потужного УЗ в газовому середовищі.
2) Коливання збуджуються перетворенням на механічні коливання струму або напруги. У більшості ультразвукових пристроїв використовуються випромінювачі цієї групи: п'єзоелектричні та магнітострикційні перетворювачі.
Крім перетворювачів, заснованих на п'єзоефект, для отримання потужного ультразвукового пучка використовуються магнітострикційні перетворювачі. Магнітострикція - це зміна розмірів тіл за зміни їх магнітного стану. Сердечник з магнітострикційного матеріалу, поміщений в обмотку, що проводить, змінює свою довжину відповідно до форми струмового сигналу, що проходить по обмотці. Це явище, відкрите в 1842 р. Джеймсом Джоулем, властиве феромагнетикам і феритам. Найбільш уживані магнітострикційні матеріали це сплави на основі нікелю, кобальту, заліза та алюмінію. Найбільшою інтенсивністю ультразвукового випромінювання дозволяє досягти сплав пермендюр (49%Co, 2%V, решта Fe), який використовується у потужних УЗ випромінювачах. Зокрема, що випускаються нашим підприємством.
Різноманітні застосування ультразвуку можна умовно розділити на три напрямки:
Залежність швидкості поширення та згасання акустичних хвиль від властивостей речовини та процесів, що в них відбуваються, використовується в таких дослідженнях:
Вимірювання швидкості звуку в твердих тілах дозволяє визначати пружні та міцнісні характеристики конструкційних матеріалів. Такий непрямий метод визначення міцності зручний простотою та можливістю використання у реальних умовах.
Ультразвукові газоаналізатори здійснюють стеження процесами накопичення небезпечних домішок. Залежність швидкості УЗ від температури використовується для безконтактної термометрії газів та рідин.
На вимірі швидкості звуку в рідинах і газах, що рухаються, у тому числі неоднорідних (емульсії, суспензії, пульпи), засновані ультразвукові витратоміри, що працюють на ефекті Допплера. Аналогічна апаратура використовується визначення швидкості і витрати потоку крові у клінічних дослідженнях.
Велика група методів вимірювання заснована на відображенні та розсіювання хвиль ультразвуку на кордонах між середовищами. Ці методи дозволяють точно визначати місцезнаходження сторонніх для середовища тіл і використовуються в таких сферах як:
Відображення, заломлення та можливість фокусування ультразвуку використовується в ультразвуковій дефектоскопії, в ультразвукових акустичних мікроскопах, у медичній діагностиці, для вивчення макронеоднорідностей речовини. Наявність неоднорідностей та його координати визначаються за відбитими сигналами чи структурою тіні.
Методи вимірювання, засновані на залежності параметрів резонансної коливальної системи від властивостей навколишнього середовища (імпеданс), застосовуються для безперервного вимірювання в'язкості та щільності рідин, для вимірювання товщини деталей, доступ до яких можливий лише з одного боку. Цей принцип лежить в основі УЗ твердомірів, рівнемірів, сигналізаторів рівня. Переваги УЗ методів контролю: малий час вимірювань, можливість контролю вибухонебезпечних, агресивних та токсичних середовищ, відсутність впливу інструменту на контрольоване середовище та процеси.
Вплив ультразвуку на речовину, що призводить до незворотних змін у ньому, широко використовується у промисловості. При цьому механізми впливу ультразвуку різні для різних середовищ. У газах основним фактором, що діє, є акустичні течії, що прискорюють процеси тепломасообміну. Причому ефективність УЗ перемішування значно вища за звичайний гідродинамічний, т.к. прикордонний шар має меншу товщину і, як наслідок, більший градієнт температури або концентрації. Цей ефект використовується в таких процесах, як:
В ультразвуковій обробці рідин основним фактором, що діє кавітація . На ефекті кавітації засновані такі технологічні процеси:
Акустичні течії- один із основних механізмів впливу ультразвуку на речовину. Він обумовлений поглинанням ультразвукової енергії в речовині та прикордонному шарі. Акустичні потоки відрізняються від гідродинамічних малою товщиною прикордонного шару та можливістю його потонання зі збільшенням частоти коливань. Це призводить до зменшення товщини температурного або концентраційного прикордонного шару та збільшення градієнтів температури або концентрації, що визначають швидкість перенесення тепла або маси. Це сприяє прискоренню процесів горіння, сушіння, перемішування, перегонки, дифузії, екстракції, просочення, сорбції, кристалізації, розчинення, дегазації рідин та розплавів. У потоці з високою енергією вплив акустичної хвилі здійснюється рахунок енергії самого потоку, шляхом зміни його турбулентності. У цьому випадку акустична енергія може становити всього частки відсотків енергії потоку.
При проходженні через рідину звукової хвилі великої інтенсивності виникає так звана акустична кавітація . В інтенсивній звуковій хвилі під час напівперіодів розрідження виникають бульбашки кавітації, які різко схлопуються при переході в область підвищеного тиску. У кавітаційній ділянці виникають потужні гідродинамічні обурення у вигляді мікроударних хвиль та мікропотоків. Крім того, схлопування бульбашок супроводжується сильним локальним розігрівом речовини та виділенням газу. Така дія призводить до руйнування навіть таких міцних речовин, як сталь і кварц. Цей ефект використовується для диспергування твердих тіл, отримання дрібнодисперсних емульсій рідин, що не змішуються, збудження і прискорення хімічних реакцій, знищення мікроорганізмів, екстрагування з тварин і рослинних клітин ферментів. Кавітація визначає також такі ефекти як слабке свічення рідини під дією ультразвуку. звуколюмінесценція і аномально глибоке проникнення рідини в капіляри звукокапілярний ефект .
Кавітаційне диспергування кристалів карбонату кальцію (накипу) лежить в основі акустичних протинакипних пристроїв. Під впливом ультразвуку відбувається розколювання частинок, що у воді, їх середні розміри зменшуються з 10 до 1 мікрона, збільшується їх кількість і загальна площа поверхні частинок. Це призводить до перенесення процесу утворення накипу з теплообмінної поверхні безпосередньо в рідину. Ультразвук так само впливає і на сформований шар накипу, утворюючи в ньому мікротріщини, що сприяють відколюванню шматочків накипу з теплообмінної поверхні.
В установках по ультразвуковій очистці за допомогою кавітації та породжуваних нею мікропотоків видаляють забруднення як жорстко пов'язані з поверхнею, типу окалини, накипу, задирок, так і м'які забруднення типу жирних плівок, бруду і т.п. Цей ефект використовується для інтенсифікації електролітичних процесів.
Під впливом ультразвуку виникає такий цікавий ефект, як акустична коагуляція, тобто. зближення та укрупнення зважених частинок у рідині та газі. Фізичний механізм цього явища ще остаточно зрозумілий. Акустична коагуляція застосовується для осадження промислових пилів, димів та туманів при низьких для ультразвуку частотах до 20 кГц. Можливо, що благодійна дія дзвону церковних дзвонів ґрунтується на цьому ефекті.
Механічна обробка твердих тіл із застосуванням ультразвуку ґрунтується на наступних ефектах:
Розрізняють чотири види мехобробки за допомогою ультразвуку:
Події ультразвуку на біологічні об'єктивикликає різноманітні ефекти та реакції у тканинах організму, що широко використовується в ультразвуковій терапії та хірургії. Ультразвук є каталізатором, який прискорює встановлення рівноважного, з погляду фізіології стану організму, тобто. здорового стану. УЗ надає на хворі тканини значно більший вплив, ніж здорові. Також використовують ультразвукове розпилення лікарських засобів при інгаляціях. Ультразвукова хірургія заснована на наступних ефектах: руйнування тканин власне сфокусованим ультразвуком та накладання ультразвукових коливань на ріжучий хірургічний інструмент.
Ультразвукові пристрої застосовуються для перетворення та аналогової обробки електронних сигналів та для управління світловими сигналами в оптиці та оптоелектроніці. Мінімальна швидкість ультразвуку використовується в лініях затримки. Управління оптичними сигналами ґрунтується на дифракції світла на ультразвуку. Один із видів такої дифракції - т.зв.брегговська дифракція залежить від довжини хвилі ультразвуку, що дозволяє виділити з широкого спектра світлового випромінювання вузький частотний інтервал, тобто. здійснювати фільтрацію світла.
Ультразвук надзвичайно цікава річ і можна припустити, що багато можливостей його практичного застосуваннядосі не відомі людству. Ми любимо та знаємо ультразвук і будемо раді обговорити будь-які ідеї, пов'язані з його застосуванням.
Наше підприємство, ТОВ «Кільце-енерго», займається виробництвом та монтажем акустичних протинакипних пристроїв «Акустик-Т». Пристрої, що випускаються нашим підприємством, вирізняються виключно високим рівнем ультразвукового сигналу, що дозволяє їм працювати на котлах без водопідготовки та пароводяних бойлерах з артезіанською водою. Але запобігання накипу - дуже мала частина того, що може бути ультразвуком. Цей дивовижний природний інструмент має величезні можливості і ми хочемо розповісти вам про них. Співробітники нашої компанії багато років працювали у провідних російських підприємствах, які займаються акустикою. Ми знаємо про ультразвук дуже багато. І якщо раптом виникне необхідність застосувати ультразвук у вашій технології,
Мал. 2. Акустичний перебіг, що виникає при поширенні ультразвуку частотою 5 МГц у бензолі.
До важливих нелінійних явищ, що виникають при поширенні інтенсивного Ультразвук, відноситься акустична - зростання в ультразвуковому полі бульбашок з наявних субмікроскопічних зародків газу або пари до розмірів в долі мм, які починають пульсувати з частотою Ультразвук і закриваються в позитивній фазі. При захлопуванні бульбашок газу виникають великі локальні тиски близько тисяч атмосфер, утворюються ударні сферичні хвилі. Біля пульсуючих бульбашок утворюються акустичні мікропотоки. Явища в кавітаційному полі призводять до ряду як корисних (отримання, очищення забруднених деталей та інших.), і шкідливих (ерозія випромінювачів Ультразвук) явищ. Ультразвук, при яких використовується ультразвукова в технологічних цілях, лежать в області УНЧ. Інтенсивність, що відповідає порогу кавітації, залежить від роду рідини, частоти звуку, температури та інших факторів. У воді на частоті 20 кгц вона становить близько 0,3 Вт/см 2 . На частотах УСЧ в ультразвуковому полі з інтенсивністю від кількох вт/см 2 може виникнути фонтанування рідини ( Мал. 3) і розпорошення її з вельми дрібнодисперсного туману.
Мал. 3. Фонтан рідини, що утворюється під час падіння ультразвукового пучка зсередини рідини її поверхню (частота ультразвуку 1,5 Мгц, інтенсивність 15 вт/см 2).
Генераціяультразвуку. Для генерування ультразвукових застосовують різноманітні пристрої, які можуть бути розбиті на 2 основні групи - механічні, в яких Ультразвук є механічна потоку газу або електромеханічні, в яких ультразвукова енергія виходить електричної. Механічні випромінювачі Ультразвук- повітряні та рідинні і - відрізняються порівняльною простотою пристрою і, не вимагають дорогої електричної енергіївисокої частоти, ккд їх становить 10-20%. Основний недолік всіх механічних ультразвукових випромінювачів - порівняно широкий спектр випромінюваних частот та нестабільність частоти і, що не дозволяє їх використовувати для контрольно-вимірювальних цілей; вони застосовуються головним чином у промисловій ультразвуковій та частково - як засоби.
Мал. 4. Випромінювання (прийом) поздовжніх хвиль L пластинкою, що коливається по товщині в тверде тіло: 1 - кварцова пластинка зрізу Х товщиною l/2 де l - довжина хвилі в кварці; 2 – металеві електроди; 3 - рідина (трансформаторна олія) для здійснення акустичного контакту; 4 – генератор електричних коливань; 5 – тверде тіло.
Прийом та виявлення ультразвуку.У зв'язку з оборотністю п'єзоефекту він широко застосовується і для прийому ультразвукового дослідження. Суміжна область та оптики (акустооптика) набула великого розвитку, після появи газових лазерів безперервної дії; розвинулися дослідження з світла на ультразвук та її різним застосуванням.
Застосування ультразвуку.Ультразвук надзвичайно різноманітні. Ультразвук служить потужним методом дослідження різних явищ у багатьох галузях фізики. Так, наприклад, ультразвукові методи застосовуються у фізиці твердого тіла та фізиці; виникла ціла нова область фізики - акусто-електроніка, на основі досягнень якої розробляються різні прилади для обробки сигнальної інформації. Ультразвук відіграє велику роль у вивченні. Поряд з методами молекулярної акустики і газів, в області вивчення твердих тіл с і поглинання a використовуються для визначення модулів і дисипативних характеристик речовини. Набула розвитку квантова, що вивчає взаємодію квантів пружних збурень - - с, та ін і елементарними в твердих тілах. Ультразвук широко застосовується у техніці, і навіть ультразвукові методи дедалі більше проникають в і.
Застосування Ультразвук у техніці. За даними з і a, у багатьох технічних завданнях здійснюється за протіканням того чи іншого процесу (контроль суміші газів, складу різних і т.д.). Використовуючи ультразвук на межі різних середовищ, конструюють ультразвукові прилади для вимірювання розмірів виробів (наприклад, ультразвукові товщиноміри), для визначення рівня рідини у великих, недоступних для прямого вимірювання ємностях. Ультразвук порівняно малої інтенсивності (до ~0,1 вт/см2) широко використовується для цілей неруйнівного контролю виробів з твердих матеріалів (рейок, великих виливків, якісного прокату тощо) (див.). Швидко розвивається напрямок, що отримав назву акустичної емісії, яка полягає в тому, що при додатку механічного до зразка (конструкції) твердого тіла він «потріскує» (подібно до того, як при вигині «потріскує» олов'яний стрижень). Це пояснюється тим, що у зразку виникає рух, які за певних умов (до кінця ще поки не з'ясованих) стають (так само, як і сукупність дислокацій та субмікроскопічних тріщин) акустичних імпульсів зі спектром, що містить частоти Ультразвук За допомогою акустичної емісії вдається виявити і розвиток тріщини, і навіть визначити її місцезнаходження у відповідальних деталях різних конструкцій . За допомогою ультразвуку здійснюється: перетворюючи ультразвукові в електричні, а останні - у світлові, виявляється можливим за допомогою ультразвуку бачити ті чи інші предмети в непрозорому для світла середовищі. На частотах УЗВЧ створено ультразвуковий мікроскоп - прилад, аналогічний звичайному мікроскопу, перевага якого перед оптичним полягає і в тому, що при біологічних дослідженнях не потрібно попереднього фарбування предмета ( Мал. 5). Розвиток призвело до певних успіхів у галузі ультразвукової.
Мал. 5б. Червоні кров'яні тільця, одержані ультразвуковим мікроскопом.
Ультразвук -це пружні механічні коливання із частотою, що перевищує 18 кГц, яка є верхнім порогом чутності людського вуха. Завдяки підвищеній частоті ультразвукові коливання (УЗК) мають ряд специфічних особливостей (можливість фокусування і спрямованість випромінювання), що дозволяє сконцентрувати акустичну енергію на малих площах поверхні, що випромінюється.
Від джерела коливань ультразвук передається у середовищі у вигляді пружних хвиль і може бути представлений у вигляді хвильового рівняння для поздовжньої плоскої хвилі:
де Л- Зміщення коливається частки; t- час; х- відстань від джерела коливань; з- Швидкість звуку в середовищі.
Швидкість звуку різна для кожного середовища і залежить від його щільності та пружності. Приватні види хвильового рівняння дозволяють описувати поширення хвилі для багатьох практичних випадків.
Ультразвукові хвилі від джерела коливань поширюються на всі боки. Біля кожної частки середовища знаходяться інші частинки, що коливаються з нею в однаковій фазі. Сукупність точок, що мають однакову фазу коливань, називається хвильової поверхні.
Відстань, на яку поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду коливань частинок середовища, називається довжина хвилі.
де Т -період коливань; / - Частота коливань.
Фронтом хвиліназивається сукупність точок, до яких коливання сягають певного моменту часу. У кожний момент часу фронт хвилі тільки один, і він постійно переміщається, а хвильові поверхні залишаються нерухомими.
Залежно від форми хвильової поверхні розрізняють плоскі, циліндричні та сферичні хвилі. У найпростішому випадку хвильові поверхні плоскі та хвилі називаються плоскими,а джерелом їхнього збудження є площина. Циліндричниминазиваються хвилі, у яких хвильові поверхні є концентричними циліндрами. Джерела збудження таких хвиль виступають у вигляді прямої лінії чи циліндра. Сферичніхвилі створюються точковими або кулястими джерелами, радіуси яких набагато менші за довжину хвилі. Якщо ж радіус перевищує довжину хвилі, її можна вважати плоскою.
Рівняння плоскої хвилі, що розповсюджується вздовж осі X,якщо джерело збудження здійснює гармонічні коливання з кутовою частотою з і амплітудою Л 0 має вигляд
Початкова фаза хвилі визначається вибором початку відліку координати хта часу t.
При аналізі проходження однієї хвилі початок відліку зазвичай вибирають таким чином, щоб а= 0. Тоді рівняння (3.2) можна записати як
Останнє рівняння описує хвилю, що біжить, що поширюється в бік зростаючих (+) або спадних (-) значень. Воно є одним із рішень хвильового рівняння (3.1) для плоскої хвилі.
Залежно від напрямку коливань частинок середовища щодо напряму поширення хвилі розрізняють декілька типів ультразвукової волі (рис. 3.1).
Якщо частинки середовища коливаються по лінії, що збігається з напрямом поширення хвилі, такі хвилі називаються поздовжніми(Рис. 3.1, а).Коли зміщення частинок середовища відбувається в напрямку, перпендикулярному до напряму поширення хвилі, хвилі називаються поперечними(Рис. 3.1, б).
Мал. 3.1. Схема коливальних зсувів частинок середовища для різних типів хвиль: а- Поздовжня; б- Поперечна; в- згинальна
У рідинах і газах можуть поширюватися лише поздовжні хвилі, оскільки пружні деформації у них виникають при стиску та не виникають при зсуві. У твердих тілах можуть поширюватися як поздовжні, і поперечні хвилі, оскільки тверді тіла мають пружністю форми, тобто. прагнуть зберегти свою форму при дії ними механічних сил. Пружні деформації та напруження виникають у них не тільки при стисканні, а й при зсуві.
У твердих тілах невеликого розміру, наприклад, у стрижнях, пластинах, картина поширення хвиль складніша. У таких тілах виникають хвилі, які є комбінацією двох основних типів: крутильні, згинальні, поверхневі.
Тип хвилі у твердому тілі залежить від характеру збудження коливань, форми твердого тіла, його розмірів по відношенню до довжини хвилі, причому у певних умовах можуть одночасно існувати хвилі кількох типів. Схематичне зображення згинальної хвилі наведено на рис. 3.1 ст. Як видно, усунення частинок середовища відбувається як перпендикулярно до напряму поширення хвилі, так і вздовж нього. Таким чином, згинальна хвиля має загальні ознакияк поздовжніх, і поперечних хвиль.
