Значення ультразвуку. Ультразвук. Основи теорії поширення ультразвукових хвиль.

Незважаючи на те що дослідження ультразвукових хвиль почалися більше ста років тому, тільки останні півстоліття вони стали широко використовуватися в різних областях людської діяльності. Це пов'язано з активним розвитком як квантового і нелінійного розділів акустики, так і квантової електроніки та фізики твердого тіла. Сьогодні ультразвук - це не просто позначення високочастотної області акустичних хвиль, а цілий напрям в сучасній фізиці і біології, з яким пов'язані промислові, інформаційні та вимірювальні технології, а також діагностичні, хірургічні та лікувальні методи сучасної медицини.

Що це?

Всі звукові хвилі можна поділити на чутні людиною - це частоти від 16 до 18 тис. Гц, і ті, які виходять за межі діапазону людського сприйняття - інфра-та ультразвук. Під інфразвуком розуміються хвилі аналогічні звуковим, але з сприймаються людським вухом. Верхньою межею інфразвуковий області вважається 16 Гц, а нижній - 0,001 Гц.

Ультразвук - це теж звукові хвилі, але тільки їх частота вище, ніж може сприйняти слуховий апарат людини. Як правило, під ними розуміють частоти від 20 до 106 кГц. Верхня їх межа залежить від середовища, в яких ці хвилі поширюються. Так, в газовому середовищі межа становить 106 кГц, а в твердих тілах і рідинах він досягає позначки в 1010 кГц. В шумі дощу, вітру або водоспаду, грозових розрядах і в шурхіт перекочувати морською хвилею гальки є ультразвукові компоненти. Саме завдяки здатності сприймати і аналізувати хвилі ультразвукового діапазону кити і дельфіни, кажани і нічні комахи орієнтуються в просторі.

Трохи історії

Перші дослідження ультразвуку (УЗ) були проведені ще на початку XIX століття французьким вченим Ф. Саварен (F. Savart), який прагнув з'ясувати верхній частотний межа чутності людського слухового апарату. Надалі вивченням ультразвукових хвиль займалися такі відомі вчені, як німець В. Вин, англієць російський з групою учнів.

У 1916 році фізик з Франції П. Ланжевен, у співпраці з російським вченим-емігрантом Костянтином Шиловським, зміг використовувати кварц для прийому і випромінювання ультразвуку для морських вимірювань і виявлення підводних об'єктів, що дозволило дослідникам створити перший гідролокатор, що складався з випромінювача і приймача ультразвуку.
У 1925 році американець В. Пірс створив прилад, званий сьогодні інтерферометром Пірса, що вимірює з великою точністю швидкості і поглинання ультразвуку в рідких і газових середовищах. У 1928 році радянський вчений С. Соколов першим став використовувати ультразвукові хвилі для виявлення різних дефектів в твердих, в тому числі і металевих, тілах.

У повоєнні 50-60-ті роки, на основі теоретичних розробок колективу радянських вчених, очолюваних Л. Д. Розенбергом, починається широке застосування   УЗ в різних промислових і технологічних областях. В цей же час, завдяки роботам англійських і американських вчених, а також дослідженням радянських дослідників, таких як Р. В. Хохлова, В. А. Красильникова і багатьох інших, швидко розвивається така наукова дисципліна, як нелінійна акустика.

Приблизно тоді ж робляться перші спроби американців використовувати ультразвук в медицині.

Радянський вчений Соколов ще в кінці сорокових років минулого століття розробив теоретичний опис приладу, призначеного для візуалізації непрозорих об'єктів - «ультразвукового» мікроскопа. Грунтуючись на цих роботах, в середині 70-х років фахівці зі Стенфордського університету створили прототип скануючого акустичного мікроскопа.

Особливості

Маючи загальну природу, хвилі чутного діапазону, так само як і ультразвукові, підкоряються фізичним законам. Але у ультразвуку є ряд особливостей, що дозволяють широко його використовувати в різних областях науки, медицини і техніки:

1. Мала довжина хвилі. Для найбільш низького ультразвукового діапазону вона не перевищує декількох сантиметрів, обумовлюючи променевої характер поширення сигналу. При цьому хвиля фокусується і поширюється лінійними пучками.

2. Незначний період коливань, завдяки чому ультразвук можна випромінювати імпульсно.

3. У різних середовищах ультразвукові коливання з довжиною хвилі, що не перевищує 10 мм, мають властивості, аналогічними світлових променів, що дозволяє фокусувати коливання, формувати направлене випромінювання, тобто не тільки посилати в потрібному напрямку енергію, а й зосереджувати її в необхідному обсязі.

4. При малій амплітуді існує можливість отримання високих значень енергії коливань, що дозволяє створювати високоенергетичні ультразвукові поля і пучки без використання великогабаритної апаратури.

5. Під впливом ультразвуку на середу виникає безліч специфічних фізичних, біологічних, хімічних і медичних ефектів, таких як:

• диспергування;
• кавітація;
• дегазація;
• локальний нагрів;
• дезінфекція та багато інших. ін.

види

Всі ультразвукові частоти поділяються на три види:

• УНЧ - низькі, з діапазоном від 20 до 100 кГц;
• УСЧ - середньочастотні - від 0,1 до 10 МГц;
• УЗВЧ - високочастотні - від 10 до 1000 МГц.

Сьогодні практичне використання ультразвуку - це перш за все застосування хвиль малої інтенсивності для вимірювань, контролю та досліджень внутрішньої структури різних матеріалів   і виробів. Високочастотні використовуються для активного впливу на різні речовини, що дозволяє змінювати їх властивості та структуру. Діагностика і лікування ультразвуком багатьох захворювань (за допомогою різних частот) є окремим і активно розвиваються напрямком сучасної медицини.

Де застосовується?

В останні десятиліття ультразвуком цікавляться не тільки наукові теоретики, а й практики, все більш активно впроваджують його в різні види людської діяльності. Сьогодні ультразвукові установки використовуються для:

У сучасному світі ультразвук - це важливий технологічний інструмент в таких промислових галузях, як:

• металургійна;
• хімічна;
• сільськогосподарська;
• текстильна;
• харчова;
• фармакологічна;
• машино- і приладобудівна;
• нафтохімічна, переробна та інші.

Крім цього, все більш широко використовується ультразвук в медицині. Ось про це ми і поговоримо в наступному розділі.

Використання в медицині

В сучасній практичній медицині існує три основних напрямки використання ультразвуку різних частот:

1. Діагностичне.

2. Терапевтична.

3. Хірургічне.

Розглянемо більш докладно кожну з цих трьох напрямків.

діагностика

Одним з найбільш сучасних і інформативних методів медичної діагностики є ультразвуковий. Його безперечні переваги - це: мінімальний вплив на людські тканини і висока інформативність.

Як вже говорилося, ультразвук - це звукові хвилі, що поширюються в однорідному середовищі прямолінійно і з постійною швидкістю. Якщо на їх шляху знаходяться області з різними акустичними плотностями, то частина коливань відбивається, а інша частина заломлюється, продовжуючи при цьому своє Таким чином, чим більша різниця в щільності прикордонних середовищ, тим більше ультразвукових коливань відбивається. Сучасні методи ультразвукового дослідження можна поділити на локаційні і просвічують.

ультразвукова локація

У процесі такого дослідження реєструються відбиті від кордонів середовищ з різними акустичними плотностями імпульси. За допомогою переміщуваного датчика можна встановити розмір, розташування та форму досліджуваного об'єкта.

просвічування

Цей метод заснований на тому, що різні тканини людського організму по-різному поглинають ультразвук. Під час дослідження будь-якого внутрішнього органу в нього направляють хвилю з певною інтенсивністю, після чого спеціальним датчиком реєструють минулий сигнал із зворотного боку. Картина об'єкту сканування відтворюється на основі зміни інтенсивності сигналу на «вході» і «виході». Отримана інформація обробляється і перетворюється комп'ютером у вигляді ехограми (кривої) або сонограми - двомірного зображення.

Допплер-метод

Це найбільш активно розвивається метод діагностики, в якому використовуються як імпульсний, так і безперервний ультразвук. Доплерографія широко застосовується в акушерстві, кардіології та онкології, так як дозволяє відстежувати навіть найнезначніші зміни в капілярах і невеликих кровоносних судинах.

Області застосування діагностики

Сьогодні ультразвукові методи візуалізації і вимірювань найширше застосовуються в таких областях медицини, як:

• акушерство;
• офтальмологія;
• кардіологія;
• неврологія новонароджених і немовлят;
• дослідження внутрішніх органів:

Ультразвук нирок;

Жовчного міхура і проток;

Жіночої репродуктивної системи;

• діагностика зовнішніх і приповерхневих органів (щитовидної і молочних залоз).

Використання в терапії

Основний лікувальний вплив ультразвуку обумовлено його здатністю проникати в людські тканини, розігрівати і прогрівати їх, здійснювати мікромасаж окремих ділянок. УЗ може бути використаний як для безпосереднього, так і для непрямого впливу на вогнище болю. Крім того, за певних умов ці хвилі мають бактерицидну, протизапальну, знеболювальну та спазмолітичну дію. Використовуваний в терапевтичних цілях ультразвук умовно поділяють на коливання високої і низької інтенсивності.

Саме хвилі низької інтенсивності найбільш широко застосовується для стимуляції фізіологічних реакцій або незначного, що не пошкоджуючого нагріву. Лікування ультразвуком дало позитивні результати при таких захворюваннях, як:

• артрози;
• артрити;
• міалгії;
• спондиліти;
• невралгії;
• варикозні і трофічні виразки;
• хвороба Бехтерева;
• облітеруючі ендартеріїти.

Проводяться дослідження, під час яких використовується ультразвук для лікування хвороби Меньєра, виразок дванадцятипалої кишки і шлунку, бронхіальної астми, отосклерозу.

ультразвукова хірургія

Сучасна хірургія, яка використовує ультразвукові хвилі, підрозділяється на два напрямки:

Вибірково руйнує ділянки тканини особливими керованими ультразвуковими хвилями високої інтенсивності з частотами від 10 6 до 10 7 Гц;

Використовує хірургічний інструмент з накладенням ультразвукових коливань від 20 до 75 кГц.

Прикладом виборчої УЗ-хірургії може послужити дроблення каменів ультразвуком в нирках. У процесі такої неінвазивної операції ультразвукова хвиля впливає на камінь через шкіру, тобто зовні людського тіла.   На жаль, подібний хірургічний метод має ряд обмежень. Не можна використовувати дроблення ультразвуком в наступних випадках:

Вагітним жінкам на будь-якому терміні;

Якщо діаметр каменів більше двох сантиметрів;

При будь-яких інфекційних захворюваннях;

При наявності хвороб, що порушують нормальне згортання крові;

У разі важких поразок кісткової тканини.

Незважаючи на те що видалення ультразвуком ниркових каменів проводиться без операційних розрізів, воно досить хворобливе і виконується під загальною або місцевою анестезією.

Хірургічні ультразвукові інструменти використовуються не тільки для менш болючого розсічення кісткових і м'яких тканин, але і для зменшення крововтрат.

Звернемо свій погляд у бік стоматології. Ультразвук камені зубні видаляє менш болісно, ​​та й всі інші маніпуляції лікаря переносяться набагато легше. Крім того, в травматологічної і ортопедичної практиці ультразвук використовується для відновлення цілісності зламаних кісток. Під час таких операцій простір між кісткових уламків заповнюють спеціальним складом, що складається з кісткової стружки і особливої ​​рідкої пластмаси, а потім впливають ультразвуком, завдяки чому всі компоненти міцно з'єднуються. Ті, хто переніс хірургічні втручання, в ході яких використовувався ультразвук, відгуки залишають різні - як позитивні, так і негативні. Однак слід зазначити, що задоволених пацієнтів все ж більше!

Ультразвук - це область фізики і техніки, яка використовує високочастотні звуковими хвилями. Головна умова, щоб частота коливань була вище 20 кГц, тобто 20 тисяч коливань в секунду. Людський слух може сприймати коливання максимум до 18 кГц, тому ультразвукові хвилі не чутні для нас. Ультразвукові хвилі мають величезну кількість медичних і промислових застосувань. Вони використовуються в інструментах для різання, чищення, змішування, перевірки і пайки.

Ультразвукові хвилі можуть бути створені трьома основними способами: шляхом подачі змінного струму через кристал кварцу; механічним способом - за допомогою спеціальної сирени (рупора); за допомогою впливу магнітним полем на порожнистий металевий стрижень.

Ще в 1890 році П'єр Кюрі виявив перший спосіб отримання ультразвукових коливань. Під час другої світової війни ультразвук знайшов своє перше застосування - для виявлення субмарин під водою за допомогою акустичного сонара. В наші дні ультразвукові хвилі знайшли багато важливих застосувань.

У медицині ультразвук знайшов дуже широке застосування. Ультразвукове обстеження або УЗД - це спосіб обстеження внутрішніх органів пацієнта без операції і опромінення рентгенівськими променями. УЗД передбачає дослідження за допомогою спеціального зонду, який поміщається на поверхні шкіри і випромінює низькоенергетичні ультразвукові хвилі всередину організму. Відбиваючись від різних тканин хвилі повертаються до зонду, де перетворюються в електричний сигнал, який потім відображається на моніторі. УЗД може бути використано для виявлення пухлин, діагностики захворювань жовчного міхура, нирок, печінки і деяких інших органів. Крім того, ультразвук використовується для діагностування стану розвитку дитини під час вагітності.

Ультразвукова енергія більшої потужності може використовуватися для розігріву тканин всередині організму. Цей метод може бути застосований для лікування артриту, бурситу, м'язової дистрофії та інших тканин. У стоматології ультразвук застосовується дл чистки зубів від зубного каменю.

Інша важлива властивість ультразвуку, здатність генерувати мільйони маленьких бульбашок в рідині, дозволяє використовувати його для чищення деталей. Цей процес називається кавітацією. Він використовується для чищення лопатей гвинтів кораблів, хірургічних інструментів та інших об'єктів, де необхідна висока ступінь очищення.

Схожа з кавітацією техніка дозволяє використовувати ультразвук для механічної обробки різних твердих матеріалів, навіть стали і діамантів. Рідина і абразивний матеріал перетворюються ультразвуком в безперервний потік, який здатний різати матеріали. Ця технологія навіть застосовується для буріння гірських порід.

Ще одне застосування ультразвук знайшов в області діагностування металевих виробів на знос і шлюб. Посланий всередину деталі ультразвукової потік хвиль, відбивається від тріщин і неоднорідностей назад до випромінювача. Ця особливість дозволяє обстежити деталі транспортних засобів, Верстатів і споруд на наявність прихованих і небезпечних дефектів.

Крім перерахованих вище застосувань, ультразвукові хвилі також використовуються для фарбування, змішування рідин, пайки металів, а також в засобах дистанційного керування і охоронних сигналізації.

ультразвук   - пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо сприймає що поширюються в середовищі пружні хвилі частотою приблизно до 16-20 кГц; коливання з більш високою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20 000 до мільярда Гц. Звукові коливання з більш високою частотою називають гіперзвуком. У рідинах і твердих тілах звукові коливання можуть досягати 1000 ГГц

Хоча про існування ультразвука ученим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці і промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується в різних областях фізики, технології, хімії та медицини.

Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості і біології, лежить в діапазоні порядку декількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз і дзеркал. Ультразвуковий пучок з необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титаніту барію. У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку все ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як в якості компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, в звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. Д.), Так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку - струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні волни.Прімери випромінювачів: свисток Гальтона, рідинний і ультразвукової свисток, сирена.

Поширення ультразвуку.

Поширення ультразвуку - це процес переміщення в просторі і в часі збурень, що мають місце в звуковій хвилі.

Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, в тому ж напрямку, в якому відбувається зсув частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрядження і стиснення певних об'ємів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більше питомий акустичний опір середовища, тим більше ступінь стиснення і розрядження середовища при даній амплітуді коливань.

Частинки середовища, що беруть участь в передачі енергії хвилі, коливаються біля положення своєї рівноваги. Швидкість, з якою частинки коливаються біля середнього положення рівноваги називається коливальної

швидкістю.

Дифракція, інтерференція

При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції і відображення.

Дифракція (огибание хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами знаходиться на шляху перешкоди. Якщо перешкода в порівнянні з довжиною акустичної хвилі велика, то явища дифракції немає.

При одночасному русі в тканини декількох ультразвукових хвиль в певній точці середовища може відбуватися суперпозиція цих хвиль. Таке накладення хвиль один на одного носить загальну назву інтерференції. Якщо в процесі проходження через біологічний об'єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то в певній точці біологічного середовища спостерігається посилення або ослаблення коливань. Результат інтерференції буде залежати від просторового співвідношення фаз ультразвукових коливань в даній точці середовища. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), то зміщення частинок мають однакові знаки і інтерференція в таких умовах сприяє збільшенню амплітуди ультразвукових коливань. Якщо ж ультразвукові хвилі приходять до конкретної ділянки в протифазі, то зсув частинок буде супроводжуватися різними знаками, що призводить до зменшення амплітуди ультразвукових коливань.

Інтерференція грає важливу роль при оцінці явищ, що виникають в тканинах навколо ультразвукового випромінювача. Особливо велике значення має інтерференція при поширенні ультразвукових хвиль в протилежних напрямках після відображення їх від перешкоди.

Поглинання ультразвукових хвиль

Якщо середовище, в якій відбувається поширення ультразвуку, володіє в'язкістю і теплопровідністю 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 проходить через нього енергією і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється в тепло, менша частина викликає в передавальному речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя часток один про одного, в різних середовищах воно різне. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційно квадрату частоти.

Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку   в опромінюється середовищі. З ростом частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань в середовищі зменшується за експоненціальним законом. Цей процес обумовлений внутрішнім тертям, теплопровідністю поглинаючого середовища і її структурою. Його орієнтовно характеризує величина полупоглощающего шару, яка показує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується в два рази (точніше в 2,718 рази або на 63%). За Пальману при частоті, рівній 0,8 МГц середні величини полупоглощающего шару для деяких тканин такі: жирова тканина - 6,8 см; м'язова - 3,6 см; жирова і м'язова тканини разом - 4,9 см. Зі збільшенням частоти ультразвуку величина полупоглощающего шару зменшується. Так при частоті, рівній 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову і м'язову тканини, зменшується в два рази на глибині 1,5 см.

Крім того, можливо аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань в деяких діапазонах частот - це залежить від особливостей молекулярної будови даної тканини. Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку загасає на молекулярному рівні і 1/3 на рівні мікроскопічних тканинних структур.

Глибина проникнення ультразвукових хвиль

Під глибиною проникнення ультразвуку розуміють глибину, при якій інтенсивність зменшується на половину. Ця величина обернено пропорційна поглинанню: чим сильні серед поглинає ультразвук, тим менше відстань, на якому інтенсивність ультразвуку послаблюється наполовину.

Розсіювання ультразвукових хвиль

Якщо в середовищі є неоднорідності, то відбувається розсіювання звуку, яке може суттєво змінити просту картину поширення ультразвуку і, в кінцевому рахунку, також викликати затухання хвилі в первісному напрямку поширення.

Переломлення ультразвукових хвиль

Так як акустичне опір м'яких тканин людини не набагато відрізняється від опору води, можна припускати, що на кордоні розділу середовищ (епідерміс - дерма - фасція - м'яз) буде спостерігатися переломлення ультразвукових хвиль.

Відображення ультразвукових хвиль

На явищі відображення заснована ультразвукова діагностика. Відображення відбувається в прикордонних областях шкіри і жиру, жиру і м'язів, м'язів і кісток. Якщо ультразвук при поширенні наштовхується на перешкоду, то відбувається відображення, якщо перешкода мало, то ультразвук його як би обтікає. Неоднорідності організму не викликають значних відхилень, тому що в порівнянні з довжиною хвилі (2 мм) їх розмірами (0,1-0,2 мм) можна знехтувати. Якщо ультразвук на своєму шляху наштовхується на органи, розміри яких більше довжини хвилі, то відбувається заломлення та відбиття ультразвуку. Найбільш сильне відображення спостерігається на кордонах кістка - навколишні її тканини і тканини - повітря. У повітря мала щільність і спостерігається практично повне відображення ультразвуку. Відображення ультразвукових хвиль спостерігається на кордоні м'яз - окістя - кістка, на поверхні порожнистих органів.

Ті, що біжать і стоячі ультразвукові хвилі

Якщо при поширенні ультразвукових хвиль в середовищі не відбувається їх відображення, утворюються біжать хвилі. 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 в тій чи іншій мірі відбувається відображення ультразвукових хвиль від прикордонного розділу. Накладення падаючих і відбиваються ультразвукових хвиль може призводити до виникнення стоячих хвиль. Для виникнення стоячих хвиль відстань від поверхні випромінювача до поверхні, що відбиває повинно бути кратним половині довжини хвилі.

ультразвук- це пружні коливання і хвилі з частотою вище 20 кГц, чи не чутні людським вухом. В даний час вдається отримувати ультразвукові коливання з частотою до 10 ГГц. Відповідно до зазначених частотних діапазонах область довжини ультразвукових хвиль в повітрі становить від 1,6 до 0,3? 10 - 4 см , В рідинах - від 6,0 до 1,2? 10- 4 см   і в твердих тілах - від 20,0 до 4,0? 10- 4 см.

Ультразвукові хвилі за своєю природою не відрізняються від пружних хвиль чутного діапазону. Поширення ультразвуку підкоряється основним законам, загальним для акустичних хвиль будь-якого діапазону частот. До основних законів поширення ультразвуку відносяться закони відображення і заломлення на кордонах різних середовищ, дифракції та розсіювання ультразвуку при наявності перешкод і неоднорідностей на кордонах, закони волноводного поширення в обмежених ділянках середовища.

Разом з тим висока частота ультразвукових коливань і мала довжина хвиль обумовлюють ряд специфічних властивостей, властивих тільки ультразвуку.

Так, можливо візуальне спостереження ультразвукових хвиль за допомогою оптичних методів. Завдяки малій довжині ультразвукові хвилі добре фокусуються, і, отже, можливо напів- чення спрямованого випромінювання. Ще одна дуже важлива особливість ультразвуку полягає в можливості отримання високих значень інтенсивності при відносно невеликих амплітудах коливань.

Зменшення амплітуди і інтенсивності ультразвукової хвилі в міру її поширення в заданому напрямку, тобто загасання, визначається розсіюванням і поглинанням ультразвуку, переходом ультразвукової енергії в інші форми, наприклад, в теплову.

Джерела ультразвуку на робочих місцях. До техногенних джерел ультразвуку можна адресувати види ультразвукового технологічного обладнання, ультразвукові прилади і апаратура промислового, медичного та побутового призначень, які

генерують ультразвукові коливання в діапазоні частот від 20 кГц до 100 МГц і вище. Джерелом ультразвуку може також бути обладнання, при експлуатації якого ультразвукові коливання виникають як супутній фактор.

Основними елементами ультразвукової техніки є ультразвукові перетворювачі і генератори. Ультразвукові пре- просвітниківв залежності від виду споживаної енергії поділяють на механічні (ультразвукові свистки, сирени) і електромеханічні (магнітострикційні, п'єзоелектричні, електродинамічні). Механічні і магнітострикційні перетворювачі використовуються для генерації низькочастотного ультразвуку, а п'єзоелектричні перетворювачі дозволяють отримувати ультразвуки високої частоти - до 10 9 Гц.

ультразвукові генератори призначені для перетворення струму промислової частоти в струм високої частоти і для харчування електроакустичних систем - перетворювачів як п'єзоелектричних, так і магнітострикційних.

В даний час ультразвук широко застосовується в машинобудуванні, металургії, хімії, радіоелектроніки, будівництві, геології, легкої та харчової промисловості, рибному промислі, медицині і т.д.

Серед різноманіття способів застосування ультразвуку з позицій оцінки їх можливого несприятливого впливу на організм працюючих доцільно виділити два основних напрямки:

1. Застосування низькочастотних (до 100 кГц) ультразвукових коливань,поширюються контактним і повітряним шляхами, для активного впливу на речовини і технологічні процеси - очищення, знезараження, зварювання, пайка, механічна і термічна обробка матеріалів (надтвердих сплавів, алмазів, кераміки та ін.), коагуляція аерозолів; в медицині - ультразвуковий хірургічний інструментарій, установки для стерилізації рук медперсоналу, різних предметів і ін.

2. Застосування високочастотних (100 кГц - 100 МГц і вище) ультразвуковихколивань, що поширюються виключно контактним шляхом, для неруйнівного контролю і вимірювань; в медицині - діагностика і лікування різних захворювань.

Аналіз поширеності та перспектива застосування різноманітних ультразвукових джерел показав, що 60-70% всіх працюючих в умовах несприятливого впливу ультразву-

ка складають дефектоскописти, оператори очисних, зварювальних, огранювальних агрегатів, лікарі ультразвукових досліджень (УЗД), фізіотерапевти, хірурги тощо.

З метою уніфікації критеріїв і методів оцінки ступеня виробничих впливів ультразвуку розроблена «Гігієнічна класифікація ультразвуку, що впливає на людину-оператора». Класифікуються ознаками впливає на працюючих ультразвуку є: спосіб поширення фактора, тип джерела ультразвуку, спосіб і режим генерування коливань, частотна характеристика ультразвукових коливань (Табл. 12.1).

Працюючі з технологічними і медичними ультразвуковими джерелами піддаються впливу комплексу несприятливих-приємних факторів виробничого середовища, провідним з яких є ультразвук з частотою коливань 20 Гц - 20,0 МГц і інтенсивністю 50-160 дБ.

Так, стаціонарні очисні, зварювальні, ограночні установки генерують постійні ультразвукові коливання з частотами

Таблиця 12.1.Гігієнічна класифікація ультразвуку, що впливає на оператора

24,0-22,0 кГц, що поширюються контактним і повітряним шляхами (25-30% робочої зміни).

Інтенсивність ультразвуку в зоні контакту з руками операторів очисних, огранювальних і зварювальних агрегатів становить 0,03- 1,4 Вт / см 2, тобто рівні коливаються від значень практично норма тивних до 14-кратного перевищення ІРУ. Рівні звукового тиску в чутному і ультразвуковому діапазонах частот на робочих місцях досягають 80-101 дБ з максимумом на робочих частотах установок, що відповідає нормі.

Серед численних методів ультразвукової дефектоскопії найбільш поширений імпульсний метод (частоти 0,5-20,0 МГц при частоті проходження імпульсів в межах 300-4000 Гц; частоти 50 і 80 кГц з частотою проходження імпульсів в межах 100- 4000 Гц).

При ультразвуковому контролі зварних і залізобетонних виробів оператор піддається впливу ультразвуку протягом 72- 75% робочого часу, інтенсивність ультразвуку в місцях контакту коливається від 1 × 10 -3 до 1,0 Вт / см 2, рівні повітряного ультразвуку не перевищують ПДУ.

Середньозмінний час впливу контактного ультразвуку на працюючих залежить від типу ультразвукового джерела (ручний або стаціонарний), для якого воно, як правило, в 2,5-3 рази менше.

Використовувані в лікувально-профілактичних установах діагностичні установки працюють в діапазоні частот 0,8-20,0 МГц, частота проходження імпульсів - 50-100 Гц. Діагностичне сканування виконується ручним ультразвуковим датчиком. Тривалість одного дослідження коливається від 15-20 хв до 1-1,5 год. Рівні високочастотного контактного ультразвуку, що впливає на руки лікаря, складають від 0,5-25,0-40,0 мВт / см 2 до 1,0 Вт / см 2 при діагностичних дослідженнях, які займають 70% робочого часу.

У ультразвукової хірургічної апаратури частота коливань становить 26,6-44,0-66,0-88,0 кГц. При роботі хірургів отме- чена контактна передача ультразвуку на руки, тривалість ультразвукового впливу не перевищує 14% робочого часу. Інтенсивність контактного ультразвуку знаходиться в межах 0,07 1,5 Вт / см 2, рівні повітряного ультразвуку на робочих місцях хірургів нижче допустимих - 80-89 дБ.

Ультразвукова фізіотерапевтична апаратура генерує коливання з частотами 0,88 і 2,64 МГц. Рівні впливає на руки медперсоналу постійного та імпульсного контактного уль тразвука, що поширюється через бічну поверхню ручного випромінювача, складають 0,02-1,5 Вт / см. Тривалість однієї процедури не перевищує 15 хв, час контакту з ультразвуком одно 33% за зміну.

Біологічна дія ультразвуку. Ультразвукові хвилі здатні викликати різноспрямовані біологічні ефекти, характер яких визначається багатьма факторами: інтенсивністю ультразвукових коливань, частотою, тимчасовими параметрами коливань (постійний, імпульсний), тривалістю впливу, чутливістю тканин.

Зокрема, частота ультразвукових коливань визначає глибину проникнення фактора: чим вище частота, тим більша частина енергії поглинається тканинами, але при цьому ультразвукові коливання проникають на меншу глибину. Слід зазначити, що поглинання ультразвуку в біологічних тканинах не підкоряється загальним закономірностям. Згідно з наявними даними, в біологічних тканинах існує не квадратична, а лінійна залежність поглинання від частоти. Це пояснюється великою неоднорідністю тканин організму. Неоднорідністю біологічних тканин обумовлена ​​і різна ступінь поглинання ультразвуку. Найменша поглинання спостерігається в жировому шарі і майже вдвічі більше в м'язовій тканині. Сіра речовина мозку в 2 рази більше поглинає ультразвук, ніж біле; мало абсорбує ультразвукову енергію спинно-мозкова рідина. Найбільше поглинання спостерігається в кістковій тканині (Табл. 12.2).

При систематичному впливі інтенсивного низькочастотного ультразвуку з рівнями, що перевищують гранично допустимі, у працюючих можуть спостерігатися функціональні зміни центральної і периферичної нервової систем, серцево-судинної, ендокринної систем, слухового і вестибулярного аналізаторів, гуморальні порушення.

При експозиції ультразвуковими коливаннями 130 дБ на частоті 25 кГц виявлені зміни серцевого ритму, картини крові, ендокринної функції і електрогенеза мозку (сплощення ЕЕГ); відзначаються втома, підвищена стомлюваність, зниження працездатності.

Таблиця 12.2.Поглинання ультразвуку тканинами організму людини

При дії ультразвуку частотою 20 кГц з рівнями звукового тиску 120, 110 і 100 дБ на слух відмічено відсутність помітних зрушень порогів слухової чутливості після годинної експозиції.

Найбільш характерним є наявність вегетосудинної дистонії і астенічного синдрому. Особи, тривалий час обслуговуючі низкочастотное ультразвукове обладнання, скаржаться на головний біль, запаморочення, загальну слабкість, швидку стомлюваність, розлад сну, сонливість вдень, дратівливість, погіршення пам'яті, підвищену чутливість до звуків, боязнь яскравого світла. Зустрічаються скарги на зниження температури кінцівок, напади блідості або почервоніння обличчя, нерідкі скарги диспепсичного характеру.

Общецеребральние порушення часто поєднуються з явищами помірного вегетативного поліневриту рук. Це обумовлено тим, що поряд із загальним впливом ультразвуку на організм працюючих через повітря низькочастотний ультразвук надає локальна дія при зіткненні з деталями і середовищами, в яких порушені коливання, або з ручними джерелами.

При впливі низькочастотного ультразвуку вегетативно-судинні порушення настають (при однаковому стажі роботи), як правило, раніше, ніж при експозиції до високочастотного ультразвуку, і характеризуються наявністю трофічних розладів, що поширюються на м'язову тканину з подальшою гіпертрофією м'язів кисті.

Систематичний, навіть короткочасний контакт з рідкими і твердими середовищами, в яких порушено ультразвукові коливання, помітно підсилює дію повітряного ультразвуку.

У порівнянні з високочастотним шумом, ультразвук слабкіше впливає на слухову функцію, але викликає більш виражені відхилення від норми з боку вестибулярної функції.

Виявлено несприятливий вплив низькочастотного ультразвуку на функціональний стан центральної нервової системи. У робочих в динаміці робочого дня сповільнюється швидкість виконання умовно-рефлекторних реакцій на зовнішні подразнення, спостерігається напруга або порушення терморегуляції і відповідно підвищення температури тіла до 37,1-37,3 ° С, дисоціація в ступеня підвищення температури тіла і шкіри, відсутність кореляції між показниками потовиділення, пульсу і температури тіла. Відзначаються також: схильність до зниження діастолічного тиску, аж до артеріальної гіпотонії, зміни на ЕКГ по екстракардіальні типу, підвищення порогів слухової чутливості, якщо рівні звукового тиску значно перевищують ПДУ, помітні зрушення вестибулярної функції (за даними стабілографії).

Ці зміни чітко виявляються в осіб, що піддаються впливу інтенсивного ультразвуку (122-130 дБ), і значитель- але менш виражені при впливі ультразвуку середньої і малої інтенсивностей (92-115 дБ).

Застосовувані в промисловості, біології, медицині інтенсивності контактного ультразвуку прийнято поділяти на низькі(До 1,5 Вт / см 2), середні(1,5-3,0 Вт / см 2) і високі(3,0-10,0 Вт / см 2).

Залежно від інтенсивності контактного ультразвуку розрізняють три основних типи його дії:

1) ультразвук низької інтенсивностісприяє прискоренню обмінних процесів в організмі, легкому нагрівання тканин, мікро- масажу і т.д. Низькі інтенсивності не призводять до морфологічних змін всередині клітин, так як змінне звукове тиск викликає тільки деяке прискорення біофізичних процесів, тому малі експозиції ультразвуку розглядаються як фізіологічний каталізатор;

2) ультразвук середньої інтенсивностіза рахунок збільшення змінного звукового тиску викликає оборотні реакції пригнічення, зокрема, нервової тканини. Швидкість відновлення функцій залежить від інтенсивності і часу опромінення ультразвуком;

3) ультразвук високої інтенсивності викликає незворотні гноблення, що переходять в процес повного руйнування тканин.

Наявні дані свідчать про те, що ультразвукові коливання, які генеруються в імпульсному режимі, надають дещо інше біологічне дію, ніж постійні коливання. Своєрідність фізіологічної дії імпульсного ультразвуку полягає в меншій вираженості, але більшої м'якості і тривалості прояви ефектів. М'якість дії імпульсного контактного ультразвуку пов'язана з переважанням фізико-хімічних ефектів дії над тепловим і механічним.

Вплив ультразвуку на біологічні структури обумовлено низкою факторів. ефекти,викликані ультразвуком, умовно поділяють на:

механічні,викликані знакозмінних зміщенням середовища, радіаційним тиском і т.д. Так, при малих інтенсивностях (до 2-3 Вт / см 2 на частотах порядку 10 5 -10 6 Гц) коливання частинок біологічного середовища виробляють своєрідний мікромасаж тканинних елементів, що сприяє кращому обміну речовин;

фізико-хімічні,пов'язані з прискоренням процесів дифузії через біологічні мембрани, зміною швидкості біологічних реакцій;

термічні,що є наслідком виділення тепла при поглинанні тканинами ультразвукової енергії, підвищення температури на кордонах тканинних структур, нагріву на газових бульбашках;

Ефекти, пов'язані з виникненням в тканинах ультразвукової кавітації(Освіта з подальшим зачиненням парогазових бульбашок в середовищі під дією ультразвуку). Кавітація приводить до розриву молекулярних зв'язків. Наприклад, молекули води розпадаються на вільні радикали ОН - і Н +, що є першопричиною окисляє дії ультразвуку. Подібним чином відбувається розщеплення під дією ультразвуку високомолекулярних сполук в біологічних об'єктах, наприклад, нуклеїнових кислот, білкових речовин.

Відомості про біологічну дію низькочастотного ультразвуку досить обмежені. Наявні дані свідчать про те, що низькочастотний ультразвук - це фактор, що володіє великою

біологічною активністю і здатний викликати функціональні та органічні порушення з боку нервової, серцево-судинної, кровотворної, ендокринної та інших систем організму.

Дані про дію високочастотного ультразвуку на організм людини свідчать про поліморфних і складних змін, що відбуваються майже у всіх тканинах, органах і системах.

Відбуваються під впливом ультразвуку (повітряного і контактного) зміни підкоряються загальної закономірності: малі інтенсивності стимулюють і активують, а середні і великі пригнічують, гальмують і можуть повністю пригнічувати функції.

Високочастотний контактний ультразвук внаслідок малої довжини хвилі практично не поширюється в повітрі і оказ- кість вплив на працюючих тільки при контакті джерела ультразвуку з поверхнею тіла. Зміни, викликані дією контактного ультразвуку, зазвичай більш виражені в зоні контакту, частіше це пальці рук, кисті, хоча не виключається можливість дистальних проявів за рахунок рефлекторних і нейрогуморальних зв'язків.

Тривала робота з ультразвуком при контактної передачі на руки викликає ураження периферичного нейросудинного аппа- рата, причому ступінь вираженості змін залежить від інтенсивності ультразвуку, часу озвучування і площі контакту, тобто ультразвукової експозиції, і може посилюватися при наявності супутніх факторів виробничого середовища, які поглиблюють його дію (повітряний ультразвук, локальне і загальне охолодження, контактні мастила - різні види масел, статичне напруження м'язів і т.д.).

Серед працюючих з джерелами контактного ультразвуку відзначений високий відсоток скарг на наявність парестезій, підвищену чутливість рук до холоду, відчуття слабкості і болю в руках у нічний час, зниження відчуття дотику, пітливість долонь. Мають місце також скарги на головні болі, запаморочення, шум у вухах і голові, на загальну слабкість, серцебиття, больові відчуття в області серця.

Встановлено, що високочастотний ультразвук, що впливає контактним шляхом на протязі тривалого часу, справляє негативний вплив, викликаючи у операторів-дефектоскопистів розвиток вегетативно-судинних уражень рук. У операторів ультразвукової дефектоскопії виявлена ​​підвищена час-

тота гемодинамічних порушень очі, переважно у вигляді гипотонического стану, який проявляється атонією вен, венул і венозних колін капілярів переднього відділу очного яблука, зниженням ретинального тиску, гіпотонічній ангиопатией сітківки. Виявлені судинні порушення очей у даній професійній групи слід трактувати як прояв загального вегетосудинної порушення, пов'язаного з впливом ультразвукових коливань (0,5-5,0 МГц, інтенсивність до 1,0 Вт / см 2).

Відзначено негативний вплив контактного ультразвуку на медичний персонал, що обслуговує фізіотерапевтичну і діагностичну апаратуру, яка також проявляється розвитком вегетативно-судинних уражень рук.

Вегетативно-сенсорна (ангіоневроз) полінейропатія рук, розвивається при впливі контактного ультразвуку, вперше визнана професійним захворюванням і внесена в список про- фзаболеваній в 1989 р Встановлено, що біологічна дія ультразвукових коливань при контактної передачі обумовлено його впливом на нервово-рецепторний апарат шкіри з подальшим включенням рефлекторних, нейрогуморальних зв'язків. Воно ви- значається механічними і фізико-хімічними факторами, оскільки роль термічного і кавітаційного компонентів при рівнях, створюваних джерелами ультразвука в контактних середовищах, незначна.

Специфічні особливості впливу на працюючих контактного ультразвуку, обумовлені його високою біофізичної активністю, проявляються в сенсорних, вегетативно-судинних порушеннях і зміни опорно-рухового апарату верхніх кінцівок.

Поряд зі змінами нейром'язового апарату у осіб, що працюють з джерелами контактного ультразвуку, виявляються зміни кісткової структури у вигляді остеопорозу, остеосклерозу дистальнихвідділів фаланг кистей, а також деякі інші зміни дегенеративно-дистрофічного характеру. Найбільш інформативним рентгенологічним методом, що дозволяє дати кількісну характеристику стану мінеральної насиченості кісткової тканини і оцінити ступінь її змін, є метод рентгеноден- сітофотометріі.

Шкіра є «вхідними воротами» для контактного ультразвуку, так як при виконанні робіт з різними ультразвуковими

джерелами в першу чергу озвучення піддається шкіра кистей рук працюючих. Інтенсивність ультразвукових коливань в шкірі кистей найбільш близька до інтенсивності ультразвуку на повер- хность випромінювача.

Шкіра в різних областях тіла людини має різну чутливість: шкіра обличчя дошкульніше шкіри живота, а шкіра живота дошкульніше шкіри кінцівок. Ультразвук інтенсивністю 0,6 Вт / см 2 (частота 2,5 МГц) викликає гіперемію шкіри, різко виражений набряк дерми.

Вплив ультразвуку інтенсивністю 0,4 Вт / см 2 (1-2 МГц) супроводжується закономірним зниженням величини рН поверхні шкіри, що свідчить про переважне використання для енергетичного обміну вуглеводів, так як при їх посилених перетвореннях в тканинах накопичуються кислі продукти обміну. Можливо, зміна рН поверхні шкіри під впливом ультразвуку пов'язано з підвищенням функціональної активності сальних залоз. При впливі ультразвуку збільшується число активних потових залоз, а відповідно, підвищується екскреція хлоридів.

Клінічне та лабораторне обстеження у дефектоскопистів виявляє такі захворювання шкіри: гіпергідроз долонь і підошов, дисгідроз долонь і підошов, руброфітія і епідермофітія стоп і кистей, себорея волосистої частини голови та ін. У більшості хворих гіпергідрозом, дисгідроз і ін. Виявлено кореляцію з супутніми захворюваннями, зокрема, з нервово-судинними порушеннями, що виявляються у вигляді вегетативних поліневрі- тов рук, вегетативно-судинних дисфункцій. Це дає можливість зв'язати шкірну патологію з впливом ультразвуку.

При впливі ультразвуку малої інтенсивності - 20-35 мВт / см 2 (частота 1 МГц) підвищується проникність судин шкіри, тоді як локальний вплив теплом, що приводить до підвищення температури шкіри на 0,8-1,0 ° С, не робить якого-небудь впливу на судинну проникність шкіри. Отже, в процесах зміни судинної проникності шкіри при впливі ультразвукових хвиль велику роль грає не термічний фактор, а механічний ефект. При високих інтенсивностях ультразвуку судинна проникність може змінюватися і за допомогою рефлек раторних механізмів.

Важливим моментом в дії ультразвуку і його знеболюючий ефект є крім зниження рН середовища локальна аккумуля-

ція гістаміну, що сприяє гальмуванню проведення імпульсів в синапсах симпатичних гангліїв.

Вважається, що ультразвукове роздратування, потрапляючи на рецепторний апарат шкіри, передається в усіх напрямках на периферичні і центральні освіти симпатичної і парасимпатичної нервових систем як за специфічним, так і неспецифічного шляхах.

Виявлено закономірності в зміні серцево-судинної діяльності при впливі контактного ультразвуку. Так, при озвучуванні пацієнтів лікувальними дозами ультразвуку (2,46 МГц, 1 Вт / см 2) спостерігається почастішання серцевого ритму зі зміною ЕКГ. Збільшення інтенсивності ультразвуку призводить до брадикардії, аритмії, зниження біологічної активності. Аналогічні реакції спостерігаються при озвучуванні не тільки області серця, а й сусідніх з ним ділянок.

Вивчення судинних реакцій організму на вплив ультразвуку при контактному передачі показало, що малі дози високочастотного ультразвуку (0,2-1,0 Вт / см 2) викликають судинорозширювальний ефект, а великі дози (3 Вт / см 2 і вище) - судинозвужувальний ефект.

Зниження судинного тонусу і розширення судин відзначається не тільки в області, яка піддається впливу ультразвуку, а й на симетричних ділянках, що дозволяє говорити про важливу роль нервово-рефлекторних механізмів у формуванні відповідної реакції на дію ультразвуку.

Вплив ультразвуку на організм супроводжується біохімічними змінами: зменшується кількість білків в сироватці крові, інтенсифікується обмін вуглеводів, збільшується вміст в крові зв'язаного білірубіну, знижується активність ферментів, зокрема, каталази крові, збільшується рівень адренокортикотропного гормону гіпофіза (АКТГ) у плазмі крові. Вважають, що оптимальне стимулюючу дію на ферментативні процеси в тканинах надає ультразвук інтенсивністю 0,1-0,3 Вт / см 2.

Вивчення протипухлинної дії високочастотного ультразвуку показало, що високі інтенсивності ультразвуку (3,0- 10,0 Вт / см 2) сприяють руйнуванню пухлинних клітин, гальмують ріст пухлин.

При впливі високочастотного ультразвуку на кісткову тканину відзначається порушення мінерального обміну - зменшується содер- жание солей кальцію в кістках.

Таким чином, при впливі контактного ультразвуку можливий розвиток генералізованих рефлекторно-судинних змін. Однак патогенез змін, виявлених у хворих з вираженими проявами ультразвукової патології шлунково-кишкового тракту, нирок, серцево-судинної системи, поки вивчений недостатньо.

В даний час розроблена математична модель прогнозу ймовірності розвитку професійної патології у працюючих з джерелами контактного ультразвуку різної частоти в залежності від інтенсивності і тривалості контакту, що дозволяє визначати безпечний стаж роботи в професії, тобто управляти ризиком порушення здоров'я шляхом «захисту часом». Розрахункові дані ймовірності розвитку поліневропатії рук ультразвукової етіології представлені в табл. 12.3.

Гігієнічненормування повітряного і контактного ультразвуку. При розробці ефективних профілактичних заходів, спрямованих на оптимізацію і оздоровлення умов праці працівників ультразвукових професій, на перше місце висуваються питання гігієнічного нормування ультразвуку як несприятливого фізичного фактора виробничого середовища і середовища проживання.

Матеріали проведених в ГУ НДІ медицини праці РАМН комплексних досліджень послужили підставою для розробки нової системи гігієнічної регламентації ультразвуку, що знайшло відображення в санітарних нормах і правилах «Гігієнічні вимоги при роботах з джерелами повітряного і контактного ультразвуку промислового, медичного та побутового призначення».

Санітарні норми і правила встановлюють гігієнічну класифікацію ультразвуку, що впливає на людину-опера тора; нормовані параметри і гранично допустимі рівні ультразвуку для працюючих і населення; вимоги до контролю повітряного і контактного ультразвуку, заходи профілактики. Слід зазначити, що ці норми і правила не поширюються на осіб (пацієнтів), що піддаються впливу ультразвуку в лікувально-діагностичних цілях.

Таблиця 12.3.Імовірність розвитку поліневропатії рук працюючих з джерелами контактного ультразвуку, що поширюється в рідких і твердих середовищах

нормованими параметрами повітряного ультразвукує рівні звукового тиску в децибелах в третьоктавних смугах з середньогеометричними частотами 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100 кГц.

нормованими параметрами контактного ультразвукує пікові значення віброшвидкості або її логарифмічні рівні в дБ в октавних смугах з середньогеометричними частотами 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16 000; 31 500 кГц, що визначаються за формулою:

L v = 20 lgV / V0,

де:

V - пікове значення віброшвидкості, м / с;

V0 - опорне значення віброшвидкості, що дорівнює 5? 10 -8 м / с.

В табл. 12.4представлені гранично допустимі рівні повітряного ультразвуку на робочих місцях і контактного ультразвуку в зонах контакту рук або інших частин тіла працюють з источни- ками ультразвукових коливань або середовищами, в яких вони поширюються.

Нові нормативи побудовані по спектральному принципу з урахуванням спільного впливу контактного і повітряного ультразвуку шляхом встановлення понижувальної поправки, що дорівнює 5 дБ, до ПДУ контактного ультразвуку, що володіє більш високою біологічною активністю.

При використанні ультразвукових джерел побутового призначення (пральні машини, пристрої для відлякування комах, гризунів, собак, охоронна сигналізація і т.д.), як правило, працюють на частотах нижче 100 кГц, нормативні рівні повітряного і контактного ультразвуку, що впливає на людину, не повинні перевищувати 75 дБ на робочій частоті.

Крім санітарних правил і норм розроблений ряд норматівнометодіческіх документів, що регламентують, зокрема, умови праці медпрацівників, які використовують ультразвукові джерела у вигляді апаратури, обладнання або інструментарію.

Таблиця 12.4.Гранично допустимі рівні ультразвуку на робочих місцях

Примітка. 1 Гранично допустимі рівні контактного ультразвуку слід приймати на 5 дБ нижче табличних даних при спільному впливі на працюючих повітряного і контактного ультразвуку.

ультразвукової діагностики, організації та проведення діагностичних досліджень, а також санітарно-гігієнічні та медікопрофілактіческіе заходи щодо обмеження несприятливого впливу контактного ультразвуку на медперсонал. Наприклад, відповідно до гігієнічних рекомендацій площа кабінету для проведення ультразвукових досліджень (УЗД) повинна бути не менше 20 м 2 за умови розміщення в ньому однієї ультразвукової діагностичної установки. Приміщення для проведення УЗД повинно мати природне і штучне освітлення, раковину з підведенням холодної і гарячої води, общеобменную припливно систему вентиляції з кратністю повітрообміну 1: 3, допускається установка кондиціонерів. У приміщенні слід підтримувати певні параметри мікроклімату: температура повітря - 22 ° С, відносна вологість 40-60%, швидкість руху повітря не вище 0,16 м / с.

При вимірі повітряного і контактного ультразвуку, що генерується побутовими приладами та обладнанням, слід руководс-

твовала вимогами, викладеними в діючих санітарних нормах і правилах.

Профілактичні заходи. Заходи щодо захисту працюючих від несприятливого впливу контактного ультразвуку і супутніх факторів виробничого середовища і трудового процесу включають:

1. Медико-біологічний скринінг при прийомі на роботу з урахуванням суб'єктивних (індивідуальних) і об'єктивних (професійно-виробничих) факторів ризику.

2. Застосування різних режимів праці (змінних і ковзають тижневих, декадних, місячних, квартальних і ін.) І контрактної системи ведення робіт на строк прогнозованої тривалості безпеки стажу.

3. Гігієнічний, в тому числі експозиційний, і клінікофізіологіческій моніторинг.

4. Заходи медико-профілактичного характеру з оздоровлення працюючих.

Медико-біологічний скринінг при прийомі на роботу доцільно проводити в кілька етапів:

I-й етап - соціальний відбір. Згідно з діючими гігієнічним нормам і правилам, основним протипоказанням для роботи в умовах впливу ультразвуку є вік молодше 18 років.

II-й етап - медичний відбір, що включає попередній медичний огляд і проведення функціональних досліджень з урахуванням специфіки дії контактного ультразвуку і факторів ризику (як виявлених індивідуальних, так і конкретних професійно-виробничих, встановлених при атестації або ліцензування робочого місця, на яке передбачається працевлаштування).

Попередній медичний огляд проводиться відповідно до чинного наказом. При проведенні попередніх медичних оглядів слід враховувати протипоказання для роботи в «ультразвукових» професіях, до числа яких поряд із загальними медичними протипоказаннями до допуску на роботу в контакті з шкідливими, небезпечними речовинами і виробничими чинниками віднесені хронічні захворювання периферичної нервової системи, облітеруючі захворювання артерій і периферичний ангіоспазм.

Крім медичних протипоказань визначені індивідуальні та об'єктивні чинники ризику, здатні посилювати вплив контактного ультразвуку. До суб'єктивних (особистісних) факторів ризику слід віднести спадкову обтяженість по судинним захворюванням, астенічний тип конституції, холодову алергію, травми кінцівок і їх відмороження в анамнезі, вегетативну лабільність, переважно з переважанням тонусу симпатичної нервової системи, тривалий стаж роботи в професії і ін.

Об'єктивними або виробничо-професійними факторами ризику є високі рівні контактного і повітряного ультразвуку, передача ультразвукових коливань через рідку середу, велика площа контакту з джерелом, забруднення рук контактними мастилами, охолодження рук, високий ультразвукової індекс джерел, статичне навантаження на м'язи пальців і кистей рук, вимушена поза, охолоджуючий мікроклімат, високі рівні сумарного індексу одночісловой оцінки комплексного впливу факторів і т.д.

Велике значення в профілактиці ультразвукового впливу мають раціональні режими праці, що встановлюються для конкретного робочого місця або джерела коливань. При розробці режи- мов праці необхідно керуватися наступними принципами:

Скорочення сумарного часу контакту і зменшення експозиції ультразвукового озвучування при перевищенні нормативів;

Ведення робіт з регулярно перериваються ультразвуковими впливами;

Організація двох регламентованих перерв, перший - тривалістю 10 хв, другий - 15 хв для активного відпочинку, проведення спеціального комплексу виробничої гімнастики, фізіо-профілактичних процедур і т.д. Перший перерву раціонально влаштовувати через 1,5-2 години після початку зміни, другий - через 1,5 год після обідньої перерви;

Обідня перерва тривалістю не менше 30 хв. Крім змінних режимів праці, доцільно впровадження як- зящіх режимів - тижневих, декадних, місячних, квартальних і т.д. Ці сучасні форми режимів праці найбільш прийнятні для медичних працівників, коли ультразвукова навантаження на працюючих, що перевищує допустиму, може бути рівномірно рознесена в часі.

До заходів, спрямованих на підвищення опірності організму, в тому числі і при впливі контактного ультразвуку, відносяться різні види фізіопрофілактіческіх процедур, реф- лексопрофілактіка, виробнича гімнастика, раціональне збалансоване харчування, вітамінізація, психофізіологічна розвантаження.

Вступна гімнастика проводиться до роботи і рекомендується всім без винятку працюючим. Основне її завдання - підняти загальний тонус організму, активізувати діяльність органів і систем, допомогти швидше включитися в робочий ритм і скоротити період впрацьовування. Комплекс включає в себе 7-9 вправ і виконується протягом 5-7 хв перед початком роботи.

В результаті численних експериментальних досліджень були підібрані найбільш ефективні способи захисту рук робо тануть від впливу низькочастотного і високочастотного ультразвуку, що поширюється в твердій і рідкій середовищах.

працюючим з низькочастотними джерелами

При поширенні коливань в твердому середовищі - дві пари щільних бавовняних рукавичок;

При поширенні коливань в рідкому середовищі - дві пари рукавичок: нижні - бавовняні і верхні - щільні різі- нові.

працюючим з високочастотними джереламиконтактного ультразвуку рекомендується застосовувати:

При поширенні коливань в твердому середовищі - одну пару бавовняних рукавичок, або бавовняні рукавички з непромокаючої долонною поверхнею (виконаної, наприклад, з непромокальних синтетичних матеріалів), або бавовняні напальчники;

При поширенні коливань в рідкому середовищі - дві пари рукавичок: нижні - бавовняні і верхні - гумові.

Як засоби індивідуального захисту від впливу шуму і повітряного ультразвуку працюючі повинні застосовувати протишуми - вкладиші, навушники.

Серед заходів щодо захисту працюючих від ультразвукового впливу важливе місце займають питання навчання працюючих основам законодавства про охорону праці, правил техніки

безпеки і заходам профілактики при роботі з джерелами контактного ультразвуку; санітарна освіта серед працюючих, пропаганда здорового способу життя.

Заходи по формуванню і управлінню якістю виробничого середовища на робочих місцях з джерелами ультразвуку в цілях зниження ризику порушення здоров'я працюючих. Важливу роль в управлінні якістю виробничого середовища відводять засобам і методам колективного захисту працюючих. Найбільш ефективними в цьому плані вважаються організаційно-технічні заходив джерелі, що знижують рівні контактного ультразвуку, що впливає на працюючих, що скорочують час контакту з ним і обмежують вплив несприятливих супутніх факторів виробничого середовища, зокрема:

Розробка і впровадження нового, вдосконаленого обладнання з поліпшеними ультразвуковими характеристиками;

Створення автоматичного ультразвукового устаткування, наприклад, для очищення деталей, дефектоскопії, механічної обробки матеріалів та ін .;

Створення установок з дистанційним керуванням;

Використання малопотужних ультразвукових генераторів в обладнанні, якщо це не суперечить вимогам технологічних процесів;

Проектування ультразвукових установок з робочими частотами, максимально віддаленими від чутного діапазону частот (не нижче 22 кГц), щоб уникнути дії вираженого високочастотного шуму;

Блокування, тобто автоматичне відключення обладнання, приладів при виконанні допоміжних операцій із завантаження та вивантаження продукції, нанесенні контактних мастил і т.д .;

Проектування шукачів та датчиків, утримуваних руками, з урахуванням необхідності забезпечення мінімального напруження м'язів кисті;

Застосування забезпечених ручками сіток і різних пристосувань при завантаженні і вивантаженні деталей з ультразвукових хвиль або спеціальних пристосувань (затискачів, штативів, гачків і т.д.) для утримання оброблюваних деталей або джерела ультразвуку;

Облицювання місць контакту рук оператора з джерелом (скануючі пристрої дефектоскопів і діагностичної апаратури,

рукояток ручного ультразвукового інструменту і т.д.) ізоляційним матеріалом;

Здійснення контролю за своєчасністю проведення профілактичного і поточного ремонту ультразвукової апаратури і обладнання;

Устаткування ультразвукових установок звукоізоляційні пристроями (кожухи, екран) з листової сталі або Дюран, покриття їх гумою, противошумной мастикою або іншими матеріалами, обладнання звукоізолюючих кабін, боксів;

Екранування фідерних ліній;

Устаткування ефективної вентиляції.

Крім того, при проектуванні і розробці нової ультразвукової апаратури з ВІДЕОТЕРМІНАЛЬНОЇ пристроями необхідно дотримуватися таких техніко-гігієнічні вимоги:

Яскравість світіння екрана не менше 100 кд / м 2;

Мінімальний розмір світної точки для монохромного дисплея - 0,4 мм, для кольорового дисплея - 0,6 мм;

Контрастність зображення знаків не менше 0,8;

Низькочастотне тремтіння зображення в діапазоні 0,05-1,0 Гц в межах 0,1 мм;

Частота регенерації зображення при роботі з позитивним контрастом не менше 72 Гц;

Наявність антіблікерного покриття екрану.

Оптимізація факторів, що визначають тяжкість праці, досягається в результаті правильного вибору пози за рахунок раціонального компонування робочого місця. Для цього, перш за все, необхідно підібрати виробниче обладнання та робочу меблі, відповідні антропометричним даним і психофізіологічних можливостей людини.

Слід витримувати розміри робочої зони, що включає простір, в якому розташовуються органи управління облад- ням, заготовками, деталями, інструмент, тобто все те, що необхідно для виконання робіт.

В процесі виконання трудових операцій доцільно по можливості виключити статичні навантаження, що виникають при підтримці, наприклад, заготовок, деталей і т.д. за рахунок пристрою верстатів, підставок для оброблюваних деталей, а також застосування маніпуляторів, візків, різних засобів малої механізації для зниження динамічного навантаження і перенапруження опорно-рухового апарату.

У комплексі заходів з наукової організації праці особливе місце займають рекомендації по раціоналізації робочих рухів і зусиль.

для оптимізації факторів,що визначають напруженість праці, доцільно:

Створення раціональної системи освітлення в кожному конкретному випадку (або, навпаки, затемнення, наприклад, при дефектоскопії і ультразвукової діагностики), правильне розміщення світильників;

Боротьба з блесткость екранів ультразвукового устаткування;

Створення необхідного колірного клімату в виробничих приміщеннях;

Пристрій світловий і звуковий індикацій дефектів при ультразвукової дефектоскопії;

Впровадження режимів праці і відпочинку (гімнастика для очей, виробнича гімнастика, психофізіологічна розвантаження і т.д.).

Коливання і хвилі. Коливаннями називають багаторазове повторення однакових або близьких до однакових процесів. Процес поширення коливань в середовищі називають хвильовим. Лінію, що вказує напрямок поширення хвилі, називають променем, а кордон, визначальну коливаються частки від частинок середовища, що ще не почали коливатися, - фронтом хвилі.

Час, за який здійснюється повний цикл коливань, називається періодом Т і вимірюється в секундах. Величину ƒ = 1 / Т, яка ніколи, скільки раз в секунду повторюється коливання, називають частотою і вимірюють в c -1.

Величина ω, що показує число повних обертів точки по колу за 2Т с, називається круговою частотою ω = 2 π   / Т = 2 π   ƒ і вимірюється в радіанах в секунду (рад / с).

Фаза хвилі - це параметр, показивaющій, яка частина періоду пройшла c момeнт початку останнього циклу коливань.

Довжина хвилі λ - мінімальна відстань між двома точками, що коливаються в однаковій фазі. Довжина хвилі пов'язана з частотою ƒ і швидкістю з співвідношенням: λ = с / ƒ. Плоска хвиля, що розповсюджується вздовж горизонтальної осі Х, описується формулою:

u = U cоs (ω t - KХ),

гдe k = 2 π / Λ. - хвильове число; U - амплітуда коливань.

З формули видно, що величина u періодично змінюється в часі і просторі.

Як змінюється при коливаннях величини використовуються зміщення частинок з положення рівноваги u і акустичний тиск р.

У ультразвукової (УЗ) дефектоскопії зазвичай використовують коливання з частотою 0,5 ... 15 МГц (довжина поздовжньої хвилі в стaли 0,4 ... 12 мм) і амплітудою зміщення 10 -11 ... 10 -4 мм (що виникають в стали на частоті 2 МГц акустичні напруги 10 ... 10 8 Па).

Інтенсивність хвилі I дорівнює I = р 2 / (2ρс),

де ρ - щільність середовища, в якій поширюється хвиля.

Інтенсивність використовуваних для контролю хвиль дуже мала (~ 10 -5 Bт / м 2). При дефектоскопії реєструється не інтенсивність, а амплітуду хвиль А. Зазвичай вимірюють ослаблення амплітуди А "щодо амплітуди порушених У виробі коливань А про (зондуючого імпульсу), Тобто відношення А" / А о. Для цього застосовують логарифмічні одиниці децибели (дБ), Тобто А "/ А про = 20 Ig А" / А о.

Типи хвиль. Залежно від напрямку коливань частинок щодо променя розрізняють кілька типів хвиль.

Поздовжньої хвилею називається тaкая хвиля, в которoй коливальний рух окремих частинок проісхoдіт в тому жe напрямку, в которoм поширюється хвиля (рис. 1).

Поздовжня хвиля характеризується тeм, чтo в середовищі чергуються області сжaтія і розрідження, або повишеннoго і зниженого тиску, або повишеннoй і зниженої щільності. Пoетому їх такжe називають хвилями тиску, плотноcті або стиснення. поздовжні мoгут поширюватися в твердих тілах, рідкий, газах.

Мал. 1. Коливання частинок срeди v в поздовжньої хвилі.

Зсувної (поперечної)   називають тaкую хвилю, в которoй окремі частинки коливаються в направлeніі, перпендикулярному до направлeнію поширення хвилі. При цьому відстань між окремими площинами коливань залишаються незмінними (рис. 2).

Мал. 2. Коливання частинок срeди v в поперечної хвилі.

Поздовжні і поперечні хвилі, пoлучівшіе узагальнене названіe "об'ємні хвилі", можуть существовaть в необмеженому середовищі. Ці наіболеe широко прімeняютcя для ультразвукової дефектоскопії.

Швидкість поширення поздовжньої хвилі в необмеженому твердому тілі визначається виразом

де Е - модуль Юнга, який визначається як відношення між величиною сили, що розтягує, яка додається до деякого стрижня і виникає при цьому деформацією; v - коефіцієнт Пуассона, що є відношенням зміни ширини стрижня до зміни його довжини, якщо розтягнення стрижня проводиться по довжині; ρ - щільність матеріалу.

Швидкість сдвиговой хвилі В необмеженій твердому тілі виражається наступним чином:

Оскільки в металах v ≈ 0,3, то між поздовжньої і поперечної хвилею існує співвідношення

c t ≈ 0,55 з l.

поверхневими хвилями   (Хвилями Релея) нaзивают пружні хвилі, распространяющіeся уздовж вільної (або слабонагруженном) грaніци твердого телa і швидко затухаючі з глубінoй. Поверхнева хвиля є комбінаціeй поздовжніх і поперечних хвиль. Частинки в поверхневої хвилі здійснюють коливальний рух по еліптичній траєкторії (рис. 3). Велика вісь еліпса пpи цьому перпендикулярна до кордону.

Поскoльку входящaя в поверхневу хвилю поздовжня составляющaя загасає c глибиною швидше, чeм поперечна, витягнутість еліпса c глибиною змінюється.

Поверхнева хвиля має швидкість з s = (0,87 + 1,12v) / (1 + v)

Для металів з s ≈ 0,93с t ≈ 0,51 c l.

В залежності oт геометричної форми фронту разлічaют наступні види хвиль:

• сферичну - звукову хвилю на невеликій відстані від точкового джерела звуку;
• циліндричну - звукову хвилю на невеликій відстані від джерела звуку, що представляє собою довгий циліндр маленького діаметру;
• плоску - її може випромінювати нескінченно коливається площину.

Тиск в сферичної або плоскої звукової хвилі визначається співвідношенням:

де v - величина коливальної швидкості.

Величина ρс = z називається акустичним опором або акустичним імпедансом.

Мал. 3. Коливання частинок срeди v в поверхневої хвилі.

Якщо акустичний опір має велику величину, то середовище називається жорсткою, якщо ж імпеданс невеликий, - м'якої (повітря, вода).

Нормальними (хвилями в пластинах), Називaют пружні хвилі, що поширюються в твeрдой пластині (шарі) сo вільними або слабонагружeннимі межами.

Нормальні хвилі бивaют двуx поляризаций: вертикальної і горизонтальної. З двох типів хвиль найбільше застосування в практиці отримали хвилі Лемба - нормальні хвилі з вертикальною поляризацією. Вони виникають вследствіe резонансу при взаімодeйствіі падаючої хвилі c багаторазово відбитими хвилями усередині пластини.

Для з'ясування фізичної сущноcті хвиль в пластинах розглянемо вопрoс освіти нормальних хвиль в жідкoм шарі (риc. 4).

Мал. 4. До питання виникнення нормальних волі в шарі рідини.

Нехай нa шар товщиною h падає ізвнe плоска хвиля під углoм β. Лінія AD показиваeт фронт падаючої хвилі. B результатe заломлення на кордоні, в слоe виникає хвиля c фронтом CB, що розповсюджується під кутом α і претерпевaющая багаторазові відображення в шарі.

Пpи певному куті падіння β хвиля, отражeнная від нижньої поверхні, збігається пo фазі з прямою хвилею, що йде oт верхній поверхні. Це і є умова виникнення нормальних хвиль. Кут а, при якому відбувається таке явище, може бути знайдений з формули

h cos α = n λ 2/2

Тут n - ціле число; λ 2 - довжина хвилі в шарі.

Для твердого шару сутність явища (резонанс об'ємних хвиль при похилому падінні) зберігається. Однак умови освіти нормальних хвиль дуже ускладнюються завдяки наявності в пластині поздовжніх і поперечних хвиль. Різні типи хвиль, що існують пpи різних значеннях n, нaзивают модами нормальних хвиль. ультразвукові хвилі з непарними значеннями   n нaзивают симетричними, так як рух частинок в ниx симетрично щодо осі пластини. Хвилі з парними значеннями n називають антисиметричного   (Рис. 5).

Мал. 5. Коливання частинок сpедой v в нормальній хвилі.

Головні хвилі. В реальних умовах ультразвукового контролю похилим перетворювачем фронт ультразвукової хвилі випромінює пьезоелемента має неплоску форму. Від випромінювача вісь якого орієнтована під першим критичним углoм до кордону розділу, на кордон падають також поздовжні хвилі з кутами, дещо меншими і дещо більшими першого критичного. При цьому в стали збуджується ряд типів ультразвукових хвиль.

Уздовж поверхні поширюється неоднорідна поздовжньо-поверхнева хвиля (рис. 6). Цю хвилю, що складається з поверхневої та об'емнoй компонент, називають також випливає, або повзучої. Частинки в цій хвилі рухаються по траєкторіях у вигляді еліпсів, близьких до кіл. Фазова швидкість витікаючої хвилі з в незначно перевищує швидкість поздовжньої хвилі (для сталі з в = 1,04с l).

Ці хвилі існують на глибині, приблизно рівній довжині хвилі, і швидко згасають при поширенні: амплітуда хвилі згасає в 2,7 рази швидше на відстані 1,75λ. уздовж поверхні. Ослаблення пов'язано з тим, що в кожній точці кордону розділу генеруються поперечні хвилі під кутом α t2, рівним третього критичного кутку, звані бічними хвилями. Цей кут визначається зі співвідношення

sin α t2 = (c t2 - c l2)

для стали α t2 = 33,5 °.

Мал. 6. Акустичне поле перетворювача голoвной хвилі: ПЕП - п'єзоелектричний перетворювач.

Кромe випливає збуджується такжe головний хвиля, яка отримала широке прімeненіе в практикe ультразвукового контролю. Головний називається поздовжньо-підповерхнева хвиля, возбуждаемaя при падінні ультразвукового пучка нa кордон розділу пoд углoм, близьким до першого крітіческoму. Швидкість цієї хвилі равнa швидкості поздовжньої хвилі. Свого амплітудного значення головний хвиля досягає під поверхнею вздовж променя з кутом введення 78 °.

Мал. 7. Амплітуда відображення головного хвилі в залежності від глибини залягання плоскодонних отворів.

Головний хвиля, як і випливає, порождаeт бічні поперечні ультразвукові хвилі пoд третім критичним кутом до грaніце розділу. Одновременнo c порушенням поздовжньо-поверхневої хвилі образуeтся зворотна поздовжньо-поверхнева хвиля - распространeніе пружного збурення в сторону, протівополoжную прямому випромінювання. Еe амплітуда в ~ 100 разів мeньше амплітуди прямої хвилі.

Головнaя хвиля нечутлива до нерівностей поверхноcті і реагує лише нa дефекти, що залягають під поверхнею. Ослабленіe амплітуди поздовжньо-підповерхневої хвилі вдoль променя будь-якого напрямку відбувається як в Зазвичай об'ємної поздовжньої хвилі, т.e. пропорційно l / r, дe r - відстань уздовж променя.

Нa риc. 7 показано зміна амплітуди ехосигналу oт плоскодонних отворів, розташованих нa разнoй глубінe. Чутливість до дефектів поблизу поверхні блізкa до нуля. Максимальна амплітуда пpи відстані 20 мм достігаетcя для плоскодонних отворів, розташованих на глибині 6 мм.

Інші сторінки по темі

Головна » інструкції » Значення ультразвуку. Ультразвук. Основи теорії поширення ультразвукових хвиль.