Применение ультразвука. Что такое ультразвук и чем он полезен

Частоты 16 - 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона - инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование неслышимых звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет »106 кГц, в жидкостях и твёрдых телах »1010 кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106 кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

• Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
• Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
• Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
• Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

История ультразвука. Кто открыл ультразвук.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон . Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Получение ультразвука.

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:

1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.

2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция - это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях. В частности в , выпускаемых нашим предприятием.

Применение ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

• получение информации о веществе
• воздействие на вещество
• обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

• изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
• изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
• контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определение концентрации растворов
• определение прочностных характеристик и состава материалов
• определение наличия примесей
• определение скорости течения жидкости и газа

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

• гидролокация
• неразрушающий контроль и дефектоскопия
• медицинская диагностика
• определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
• определения размеров изделий
• визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

Воздействие ультразвука на вещество.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:

• ультразвуковая сушка
• горение в ультразвуковом поле
• коагуляция аэрозолей

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация . На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

• ультразвуковая очистка
• металлизация и пайка
• звукокапиллярный эффект — проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины. Применяется для пропитки пористых материалов и имеет место при любой ультразвуковой обработке твёрдых тел в жидкостях.
• кристаллизация
• интенсификация электрохимических процессов
• получение аэрозолей
• уничтожения микроорганизмов и ультразвуковая стерилизация инструментов

Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация . В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука - звуколюминесценция , и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры - звукокапиллярный эффект .

Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств . Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

• уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
• снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
• упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
• Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке

Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:

• размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
• резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
• снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
• шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.

Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции - т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.

Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.

Где применяется ультразвук - сводная таблица

Наше предприятие, ООО «Кольцо-энерго», занимается производством и монтажом акустических противонакипных устройств «Акустик-Т». Устройства, выпускаемые нашим предприятием, отличаются исключительно высоким уровнем ультразвукового сигнала, что позволяет им работать на котлах без водоподготовки и пароводяных бойлерах с артезианской водой. Но предотвращение накипи - очень малая часть того, что может ультразвук. У этого удивительного природного инструмента огромные возможности и мы хотим рассказать вам о них. Сотрудники нашей компании много лет работали в ведущих российских предприятиях, занимающихся акустикой. Мы знаем об ультразвуке очень много. И если вдруг возникнет необходимость применить ультразвук в вашей технологии,

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЯЗАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Областное Государственное Бюджетное

Профессиональное образовательное учреждение

«Рязанский педагогический колледж»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ПРОЕКТ

По учебной дисциплине «Физика»

Тема: «Ультразвук и инфразвук в жизни человека»

Выполнила: Васильева

Алёна Николаевна

Специальность: 44.02.02 Преподавание

В начальных классах

Группа: 11ш

Руководитель: Галкина

Наталья Евгеньевна

Введение.

Я выбрала тему «Ультразвук и инфразвук в жизни человека», потому что считаю ее очень интересной и полезной.

Инфразвуки и ультразвуки находятся за пределами диапазона частот, вызывающих звуковые ощущения.

Инфразвуки, или упругие волны с частотами 16 Гц и ниже, возникают при самых различных условиях - при обдувании ветром различных предметов, вибрировании с достаточной амплитудой станков, корпуса движущегося автомобиля, работающего двигателя самолёта и т.д. Инфразвуки не воспринимаются органами слуха человека, но на них реагирует организм в целом, поэтому понятна необходимость детального изучения таких колебаний. Исследования инфразвука начались относительно недавно и в настоящее время стройной теории для указанного диапазона упругих волн не существует. Задача изучения инфразвука осложняется особенностями их воздействия на приборы и живые организмы. Так, внутренние органы человека имеют собственные частоты колебаний (резонансные частоты) в пределах от б до 8 Гц, поэтому воздействие инфразвуковьгх колебаний доста­точной амплитуды может вызвать неприятные и даже болевые ощущения. Поэтому одна из задач исследования инфразвука связана с определением степени влияния низкочастотных колебаний на нервную, сердечно-сосудистую системы человека, на его работоспособность.

С помощью ультразвука производится эффективная очистка поверхностей, деталей, узлов механизмов от различных загрязнений, следов коррозии и т.д. Так, с помощью ультразвуковых установок производится очистка деталей от масла, следов окалины, очистка днища корабля, более того, защитная ультразвуковая установка предотвращает обрастание днища морского судна различными морскими живыми и растительными организмами, тем самым сохраняя эксплуатационные качества корабля. С помощью ультразвука производят очистку воздуха от загрязнений, осаждая частицы примесей, используют ультразвук для борьбы с туманами и т.д.

Широкое применение находит ультразвук и при ускорении ряда технологических процессов, там, где применение других методов затруднительно. Например, при сварке или пайке тонких фольг или проволок именно ультразвук позволяет получать качественные со­единения. Подробнее обо всем этом я расскажу в основной части проекта.

Цель проекта:

Познакомиться с понятиями ультразвук и инфразвук. Вспомнить где они используются. Узнать влияние ультра и инфра звука на организм человека.

Задачи проекта:

1. Изучить материал по теме «Влияние ультразвука и инфразвука на организм человека»

2. Уметь применять изученный материал в жизни.

Ультразвук и инфразвук в жизни человека.

Влияние ультразвука.

Ультразвук - звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц.

Специфическое ощущение, воспринимаемое нами как звук, является результатом воздействия на слуховой аппарат человека колебательного движения упругой среды - чаще всего воздуха. Однако не все колебания среды, доходя до уха, вызывают ощущение звука. Нижней границей слышимого звука являются колебания с частотой 20 колебаний в секунду (20 Гц), верхняя граница лежит между 16 000 и 20 000 Гц. Положение этих границ подвержено индивидуальным изменениям.

Область применения ультразвука

Вне указанного диапазона частот также существуют колебательные процессы, физически не отличающиеся от звуковых колебаний и волн, но не воспринимаемые ухом как звуки. Колебания среды с частотами выше верхней границы слуха, порядка десятков и сотен тысяч герц, принято называть ультразвуками.

Ультразвук за последние годы нашел широкое применение в народном хозяйстве, биологии и медицине. В США, например, в настоящее время насчитываются миллионы ультразвуковых установок.

В промышленности применяются ультразвуки, частота которых в миллиарды раз превышает интенсивность окружающих нас слышимых звуков. Ультразвуки могут быть фокусированы и создают при этом очень высокое местное давление. Ультразвуком можно дробить вещество и ускорять химические реакции. Ультразвук способен вводить в коллоиды воду. При помощи ультразвука значительно ускоряются процессы дубления кожи, крашения, отбелки и мытья тканей, получения синтетического волокна, заменителей кожи и пластмасс. Ультразвук применяется для дефектоскопии, позволяющей определять внутренние дефекты в деталях, для очистки котлов от накипи, подводных поверхностей кораблей, для лужения алюминием, серебрения и т. д. Ультразвук нашел применение в доменном производстве, на водном транспорте, в рыболовном деле и геологии.

Ультразвук используется в медицине для диагностических целей (выявление инородных тел), в стоматологии (бормашины), для изготовления эмульсий лекарственных веществ и т. д.

В настоящее время ультразвук малой интенсивности широко используется для терапевтических целей.

Ультразвук оказывает сложное и выраженное биологическое действие, сущность которого еще недостаточно выяснена. Это действие, по-видимому, в основном зависит от создаваемых в тканях огромных местных давлений и от местного теплового эффекта, связанного с поглощением энергии при глушении вибрации. Жидкие среды и газы поглощают ультразвук, а твердые тела хорошо его проводят. Кости также являются хорошими проводниками ультразвука.

Три основных направления применения ультразвука в медицине - это ультразвуковая диагностика, «ультразвуковой скальпель» и ультразвуковая физиотерапия. Начнем рассказ с двух последних.

«Ультразвуковой скальпель» используют прежде всего там, где необходимо точное и ограниченное воздействие, где каждый лишний миллиметр разрушенной ткани может вызвать тяжелые последствия, как, например, при хирургическом лечении глазных болезней, при пластических операциях лица и т. п. Фокусировка ультразвука в небольшой по размерам заданной области дает возможность воздействовать на глубоко расположенные структуры организма. Это особенно важно при проведении нейрохирургических операций на головном мозге, при операциях разрушения добавочных проводящих путей сердца. С повышением частоты ультразвука его действие предельно локализуется. Например, при частоте 4 мГц можно подвергнуть разрушению участок ткани объемом всего 0,05 мм куб., причем окружающие ткани остаются неповрежденными.

Для лечения глазных болезней ультразвук впервые применили медики в Одесском НИИ глазных болезней и тканевой терапии им. В. П. Филатова, известном разработкой ряда новых методов лечения помутнения роговицы, катаракты травматического происхождения, отслойки сетчатки и др. Низкочастотный ультразвук частотой 20-40 кГц был использован для расширения слезного канала, а также при операциях на роговице.

Операцию при катаракте (помутнении хрусталика) обычно делают только после ее созревания, когда зрение уже утрачено полностью. В естественных условиях этот процесс иногда длится годами. «Озвучивание» ультразвуком ускоряет его до нескольких минут, что позволяет провести операцию в более ранние сроки и с лучшими результатами. Для проведения этой операции был разработан оригинальный ультразвуковой инструмент в виде пустотелой иглы толщиной 1 мм, заключенной в тонкую силиконовую оболочку и соединенной с ультразвуковым генератором. Наблюдая в микроскоп за движением иглы, хирург подводит ее вплотную к хрусталику и включает ультразвук. Под действием ультразвука через несколько мгновений помутневший хрусталик разжижается. Образующаяся жидкость вымывается из капсулы дезинфицирующим раствором, поступающим через зазор между иглой и ее футляром, и отсасывается через внутренний канал иглы. Течение послеоперационного периода после такой операции значительно сокращается.

Фокусированный ультразвук был применен для того, чтобы задержать грозящую слепотой отслойку сетчатки. Его направленное воздействие в нескольких точках фиксирует сетчатку к подлежащим тканям. Во многих случаях ультразвук помогает обойтись без операции при глаукоме. Основной симптом при этом заболевании - повышение внутриглазного давления. Склеру глаза «озвучивают» ультразвуком в нескольких точках, после чего внутриглазное давление снижается. По данным американских врачей, этот метод эффективен в 80% случаев.

Разрушающее действие ультразвука также используют для удаления тромбов из крупных сосудов. Через отверстие, сделанное специальной иглой, хирург вводит в сосуд тонкий ультразвуковой волновод и осторожно продвигает его к тромбу. После 10-12 с «озвучивания» тромб перестает существовать, а из просвета сосуда вымывают образовавшееся жидкое содержимое и отсасывают его через ту же иглу. Инструмент извлекают, а отверстие «запаивают» ультразвуковым сварным швом.

Применяют ультразвук и при хирургическом лечении заболеваний уха, горла, носа. Операции по удалению набухших тканей хронически воспаленной слизистой оболочки носа и по исправлению искривления носовой перегородки делают в большинстве случаев при помощи скальпеля, долота и молотка. Позже разработали ультразвуковую аппаратуру для этой операции. Ультразвуковой инструмент позволил проводить ее бескровно, почти безболезненно и к тому же во много раз быстрее. Та же группа российских медиков разработала ультразвуковой скальпель для проведения трахеотомии (рассечения трахеи). Эту операцию производят обычно по жизненным показаниям - при внезапно наступившем удушье. Здесь дорого каждое мгновение, а применение ультразвука позволяет сэкономить целых 10 минут.

По мнению многих медиков, ультразвуковой метод, несомненно, расширяет возможности хирургического лечения больных с различной патологией легких и плевры. Врачи проводят операции на грудной клетке с помощью ультразвука. Ультразвуковой инструмент разрезает и соединяет грудину, ребра, бронхи, бужирует суженные артерии. В практику внедряются длинные гибкие ультразвуковые волноводы для манипуляций на трахее и бронхах, разработанные впервые в мире группой советских ученых. Проводятся экспериментальные исследования по соединению лоточной ткани и закрытию культи бронха при помощи ультразвука.

Ученые разработали и применили метод ультразвуковой резки и соединения костной ткани при помощи ультразвуковой сварки - сначала в многочисленных опытах на животных, а позже и в клинике. Чтобы резать кость обыкновенной пилой, надо отслоить от нее мягкие ткани на довольно большом протяжении, а для ультразвуковой пилы достаточно отверстия в мягких тканях диаметром 1 см. Это имеет особое значение при трепанации черепа, резекции ребер и др.

Метод ультразвуковой наплавки костной ткани состоит в том, что полость, образовавшуюся в кости после удаления патологического очага, заполняют костной стружкой, которую пропитывают специальным присадочным материалом и «озвучивают» ультразвуком. После «озвучивания» вся эта масса превращается в конгломерат, прочно спаянный с костью. Также ультразвук применяется для соединения тканей печени, селезенки, эндокринных желез.

Уже много лет ультразвуковые аппараты используют в стоматологии для снятия зубного камня, а в последние годы - также для лечения кариеса и его осложнений. Между рабочим концом ультразвукового вибратора и зубом помещают абразив (взвешенный в воде порошок окиси алюминия, бора и т. п.). Частицы абразива, ударяясь о ткань зуба, постепенно снимают с нее слой за слоем. Полученная полость воспроизводит форму конца вибратора. Ее стенки гладко отполированы. Качество пломбирования также лучше, так как под влиянием «озвучивания» меняется структура и повышается плотность пломбировочного материала. Ультразвуковое лечение зуба бесшумно. Выделение тепла, а значит, и нагрев зуба при нем слабее, чем при сверлении вращающимся бором. Поэтому болевые ощущения у большинства пациентов отсутствуют или минимальны. В данном случае это несомненное достоинство ультразвука оборачивается его недостатком. При практически безболезненном ультразвуковом лечении пульпита врачу трудно определить момент приближения к нерву. Поэтому ультразвуковые бормашины могут использовать только опытные специалисты.

Дробящее действие ультразвука может быть использовано и для разрушения камней мочеточника. Ультразвуковой инструмент дробит камень за 5-60 с, в зависимости от размеров и плотности камня.

Ультразвуковой скальпель ни по виду, ни по принципу действия не похож на хирургический. Внешне он напоминает миниатюрную двухступенчатую ракету, которая легко умещается в руке. Первая ее ступень содержит ультразвуковой вибратор, действие которого основано на принципе магнитострикции (от латинского слова «стрикцио» - сжатие).

Суть явления магнитострикции заключается в том, что некоторые металлы, попадая в магнитное поле, изменяют свои геометрические размеры. Если на стержень из такого ферромагнитного материала намотать медную проволоку и пропустить через нее переменный ток с частотой, соответствующей частотам ультразвука, то стержень с той же частотой будет изменять свои размеры. Так как амплитуда изменений размеров вибратора очень мала, то для ее усиления предназначен концентратор ультразвука (вторая ступень «ракеты»). Концентратор сужается от основания к верхушке, размах колебаний которой в десятки раз больше, чем у основания, меняющего положение вместе с вибратором. Амплитуда колебаний верхушки концентратора достигает 50-60 мк, а частота - 25-50 кГц. Ультразвуковой скальпель работает как острая микропила. За счет энергии ультразвуковых колебаний он разделяет ткань на границах контакта клеточных мембран, почти не повреждая самих клеток, что способствует лучшему и более быстрому заживлению. Слегка повернув инструмент и тем самым изменив направление ультразвукового луча, можно изменить направление разреза без расширения оперативного доступа. При рассечении ткани ультразвук останавливает капиллярное кровотечение. Важно также и то, что применение ультразвука заметно снижает болезненность хирургического вмешательства.

Хирургическая ультразвуковая техника в настоящее время входит в арсенал практической медицины. Она используется наряду с традиционными хирургическими инструментами, электрокоагуляционными, лазерными и другими методами, с учетом особенностей заболевания, показаний и противопоказаний. По мере усовершенствования и увеличения выпуска ультразвуковой аппаратуры для хирургических вмешательств внедрение ее в практику будет расширяться.

Физические явления, возникающие при воздействии ультразвука на жидкости, были положены в основу новой методики лечения ран, разработанной российскими учеными. В рану вводят растворы антибиотиков или антисептиков, которые «озвучивают» с помощью ультразвукового волновода. Озвученная жидкость удаляет омертвевшие ткани, производит массаж раневой поверхности, улучшает кровообращение в ней. Улучшается и диффузия лекарственных веществ, уменьшаются болезненные ощущения при перевязке, снижается бактериальная загрязненность раны, что способствует более быстрому и гладкому заживлению. Заметно сокращаются сроки лечения таких больных в стационаре.

Отдельным направлением применения ультразвука в медицине является ультразвуковая физиотерапия.

Механизм физиологического действия лечебного ультразвука на ткани живого организма пока выяснен не полностью. Принято различать три основных фактора влияния ультразвука: механический, тепловой и физико-химический. Механическое действие заключается в вибрационном микромассаже тканей на клеточном и субклеточном уровнях, повышающем проницаемость клеточных мембран и обмен веществ в клетках и тканях организма. Тепловое действие ультразвука при его малых интенсивностях, применяемых с лечебной целью, незначительно. Тепло может накапливаться в основном в тканях, больше всего поглощающих ультразвуковую энергию (нервной, костной), а также границах сред с различным акустическим сопротивлением (на границе кости с мягкими тканями) и в местах с недостаточным кровообращением.

Физико-химическое действие ультразвука связано главным образом с тем, что применение акустической энергии вызывает механический резонанс в веществе живых тканей. При этом ускоряется движение молекул, усиливается их распад на ионы, изменяется электрическое состояние клеток и околоклеточной жидкости, образуются новые электрические поля, усиливается диффузия через биологические мембраны, активизируются обменные процессы,

При воздействии ультразвука на кожу улучшается ее барьерно-защитная функция, усиливается деятельность потовых и сальных желез, активизируются процессы регенерации. Интересно, что чувствительность кожи различных областей тела к ультразвуку неодинакова: в области лица и живота она выше, чем в области конечностей.

При воздействии ультразвука на нервную систему мощностью 0,5 Вт/см кв. увеличивается скорость проведения возбуждения по нервным волокнам, а при более высокой интенсивности - 1 Вт/см кв. - она уменьшается. Ультразвук умеренной интенсивности обладает противоспазматическим действием - он снимает спазмы бронхов, желче- и мочевыводящих путей, кишок, усиливает мочеотделение. Под его влиянием нормализуется тонус сосудов и улучшается кровоснабжение тканей, повышается усвоение ими кислорода.

Ультразвук применяют для лечения хронического тонзиллита. Пораженные миндалины «озвучивают» ультразвуком малой интенсивности, благодаря чему снижается активность болезнетворных микроорганизмов, улучшается питание тканей, активизируются иммунобиологические процессы. В итоге такое амбулаторное лечение помогает сохранить миндалины, играющие важную роль в защитных реакциях организма. Ростовские медики разработали оригинальную методику ультразвукового массажа глаз. На глаз больного после закапывания обезболивающего препарата накладывают рамку-кольцо и включают ультразвук. После десятка сеансов такого ультразвукового массажа у больных с начальной формой глаукомы внутриглазное давление нормализуется.

В гинекологии ультразвук используют для лечения эрозии шейки матки. Уже после двух-трех ультразвуковых процедур, проводимых с промежутком 1-2 дня, эрозия начинала заживать, а через месяц у большинства больных она полностью исчезала.

Одной из специализаций ультразвуковой терапии становится лечение аденомы предстательной железы. Этому заболеванию подвержены мужчины преимущественно пожилого возраста. Лечение и большинстве случаев оперативное. Применение ультразвуковой терапии при аденоме предстательной железы и простатите дает хороший результат: после нескольких процедур у больных почти полностью исчезла боль, нормализовалось мочеиспускание, улучшилось общее состояние. «Озвучивание», проведенное после операции удаления железы, способствует лучшему течению послеоперационного периода.

Наиболее широко используют ультразвуковую терапию при остеохондрозе, артрозе, радикулите и других заболеваниях периферической нервной системы и опорно-двигательного аппарата.

Ультразвуковое лечение не рекомендуется применять при острых инфекционных заболеваниях, стенокардии, аневризме сердца, гипертонической болезни II Б и III стадий, болезнях крови, склонности к кровотечениям, а также при беременности. Раньше к противопоказаниям относили также наличие злокачественных опухолей. Но в последнее время изучается вопрос о применении ультразвуковой терапии для их лечения как отдельно, так и в сочетании с рентгенотерапией.

Иногда ультразвук применяют в сочетании с различными лекарственными веществами. Этот метод назван фонофорезом, хотя правильнее было бы назвать его ультрафонофорезом. В основе метода лежит повышение проницаемости кожи, слизистых оболочек, клеточных мембран и улучшение местной микроциркуляции под влиянием ультразвука. Все это помогает введению ряда лекарственных веществ через кожу и слизистые.

В настоящее время применяют фонофорез многих лекарственных препаратов, таких как гидрокортизон, анальгин, аминазин, интерферон, компламин, гепарин, экстракт алоэ, ФиБС, целый ряд антибиотиков и др. Вместе с тем было установлено, что некоторые лекарственные вещества, например, эуфиллин, аскорбиновая кислота, тиамин (витамин B1) и другие при «озвучивании» ультразвуком или не проникают в организм, или разрушаются. Иногда при фонофорезе сначала озвучивают кожу или слизистую оболочку ультразвуком, а затем после удаления контактной среды наносят лекарственное вещество в виде примочки или мази. Но чаще процедура производится так же, как обычное ультразвуковое облучение. Лекарственные вещества предварительно накладывают на поверхность кожи или слизистой оболочки в виде водного раствора, эмульсии или мази. Они выполняют также роль контактной среды при озвучивании. При фонофорезе, так же как и при «озвучивании» без применения лекарств, используют две методики: стабильную и лабильную. При первой вибратор во время процедуры остается неподвижным, при второй - он медленно передвигается по поверхности кожи или слизистой.

В последние годы изучаются возможности применения ультрафонопунктуры, фокусированного ультразвука, биоуправляемого и биосинхронизированного ультразвукового воздействия. Сфера применения ультразвуковой терапии продолжает расширяться.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Частоты 16 Гц- 20 кГц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми или акустическими, например писк комара «10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими вне этого диапазона — инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов, в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука, частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики только в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования УЗ, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Что такое ультразвук

Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике.

Вот основные из них:

• Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков, по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет в оптически непрозрачных средах формировать звуковые изображения, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
• Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
• Возможность получения высоких значений интенсивности колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения, поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические физические, химические, биологические и медицинские эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

История ультразвука

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав — Англии и Франции, т.к. акустический — единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука — 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными — звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» от греческого слова, означающего «нажать». Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии — Константином Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена — Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-Упсихиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

1. получение информации посредством ультразвука
2. воздействие на вещество, существо
3. обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется для:

• контроля протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определения прочностных характеристик и состава материалов,
• определения наличия примесей,
• определения скорости течения жидкости и газа

С помощью ультразвука можно стирать, отпугивать грызунов, использовать в медицине, проверять различные материалы на наличие дефектов и еще много чего интересного.