Ультразвук - частота, інтенсивність і глибина проникнення. Ультразвук - Що це таке?

Введение .............................................................................. 3

Ультразвук ........................................................................... .4

Ультразвук як пружні хвилі .......................................... ..4

Специфічні особливості ультразвуку .................................... ..5

Джерела і приймачі ультразвуку .......................................... ..7

Механічні випромінювачі ................................................ ... 7

Електроакустичні перетворювачі ................................. .9

Приймачі ультразвуку ................................................... ..11

Застосування ультразвуку ......................................................... ... 11

Ультразвукове очищення ................................................... ... 11

Механічна обробка надтвердих і крихких

матеріалів ..................................................................... 13

Ультразвукове зварювання ...................................................... .14

Ультразвукова паяння та лудіння .......................................... 14

Прискорення виробничих процесів .................. .. ............ 15

Ультразвукова дефектоскопія .............................. .. ............ 15

Ультразвук в радіоелектроніці ........................... .. ............... 17

Ультразвук в медицині .................................... .. ............... ..18

Література ......................................................... .. .................. .19

Двадцять перше століття - століття атома, підкорення космосу, радіоелектроніки та ультразвуку. Наука про ультразвук порівняно молода. Перші лабораторні роботи з дослідження ультразвуку були проведені великим російським ученим-фізиком П. М. Лебедєв в кінці XIX, а потім ультразвуком займалися багато видних учених.

Ультразвук являє собою хвилеподібно розповсюджується коливальний рух частинок середовища. Ультразвук має деякі особливості в порівнянні зі звуками чутного діапазону. В ультразвуковому діапазоні порівняно легко отримати направлене випромінювання; він добре піддається фокусуванні, в результаті чого підвищується інтенсивність ультразвукових коливань. При поширенні в газах, рідинах і твердих тілах ультразвук породжує цікаві явища, багато з яких знайшли практичне застосування в різних областях науки і техніки.

В останні роки ультразвук починає грати все більшу роль в наукових дослідженнях. Успішно проведені теоретичні та експериментальні дослідження в області ультразвукової кавітації і акустичних течій, що дозволили розробити нові технологічні процеси, що протікають при впливі ультразвуку в рідкій фазі. В даний час формується новий напрям хімії - ультразвукова хімія, що дозволяє прискорити багато хіміко-технологічні процеси. Наукові дослідження сприяли зародженню нового розділу акустики - молекулярної акустики, що вивчає молекулярне взаємодія звукових хвиль з речовиною. Виникли нові галузі застосування ультразвуку: інтроскопія, голографія, квантова акустика, ультразвукова фазомерія, акустоелектроніка.

Поряд з теоретичними і експериментальними дослідженнями в області ультразвуку виконано багато практичних робіт. Розроблено універсальні і спеціальні ультразвукові верстати, установки, що працюють під підвищеним статичним тиском, ультразвукові механізовані установки для очищення деталей, генератори з підвищеною частотою і новою системою охолодження, перетворювачі з рівномірно розподіленим полем. Створені і впроваджені у виробництво автоматичні ультразвукові установки, які включаються в потокові лінії, що дозволяють значно підвищити продуктивність праці.

льтразвук.

Ультразвук (УЗ) - пружні коливання і хвилі, частота яких перевищує 15 - 20 кГц. Нижня межа області УЗ-вих частот, що відокремлює її від області чутного звуку, визначається суб'єктивними властивостями людського слуху і є умовною, так як верхня межа слухового сприйняття у кожної людини своя. Верхня межа УЗ-вих частот обумовлена ​​фізичною природою пружних хвиль, які можуть поширюватися лише в матеріальному середовищі, тобто за умови, що довжина хвилі значно більше довжини вільного пробігу молекул в газі або міжатомних відстаней в рідинах і твердих тілах. У газах при нормальному тиску верхня межа частот УЗ становить »10. 9 Гц, в рідинах і твердих тілах гранична частота сягає 10 12 -10 13 Гц. Залежно від довжини хвилі і частоти УЗ володіє різними специфічними особливостями випромінювання, прийому, поширення і застосування, тому область УЗ-вих частот поділяють на три області:

· Низькі УЗ-ші частоти (1,5 × 10 4 - 10 5 Гц);

· Середні (10 5 - 10 7 Гц);

· Високі (10 7 - 10 9 Гц).

Пружні хвилі з частотами 10 9 - 10 13 Гц прийнято називати гіперзвуком.

Ультразвук як пружні хвилі.

УЗ-ші хвилі (нечутний звук) за своєю природою не відрізняються від пружних хвиль чутного діапазону. У газах і рідинах поширюються тільки поздовжні   хвилі, а у твердих тілах - поздовжні і зрушень  Перші.

Поширення ультразвуку підкоряється основним законам, спільними для акустичних хвиль будь-якого діапазону частот. До основних законів поширення відносяться закони відбиття звуку і заломлення звуку на кордонах різних середовищ, дифракції звуку і розсіювання звуку   при наявності перешкод і неоднорідностей в середовищі і нерівностей на кордонах, закони волноводного поширення   в обмежених ділянках середовища. Істотну роль при цьому відіграє співвідношення між довжиною хвилі звуку l і ​​геометричним розміром D - розміром джерела звуку або перешкоди на шляху хвилі, розміром неоднорідностей середовища. При D \u003e\u003e l поширення звуку поблизу перешкод відбувається в основному за законами геометричної акустики (можна користуватися законами відбиття і заломлення). Ступінь відхилення від геометричної картини поширення і необхідність врахування дифракційних явищ визначаються параметром, де r - відстань від точки спостереження до об'єкта, що викликає дифракцію.

Швидкість поширення УЗ-вих хвиль в необмеженому середовищі визначається характеристиками пружності та щільністю середовища. В обмежених середовищах на швидкість поширення хвиль впливає наявність і характер кордонів, що призводить до частотної залежності швидкості (дисперсія швидкості звуку). Зменшення амплітуди і інтенсивності УЗ-вої хвилі в міру її поширення в заданому напрямку, тобто загасання звуку, викликається, як і для хвиль будь-якої частоти, розбіжністю фронту хвилі з віддаленням від джерела, розсіюванням і поглинанням звуку. На всіх частотах як чутного, так і нечутні діапазонів має місце так зване «класичне» поглинання, викликане сдвиговой в'язкістю (внутрішнім тертям) середовища. Крім того, існує додаткове (релаксаційні) поглинання, часто істотно перевершує «класичне» поглинання.

При значній інтенсивності звукових хвиль з'являються нелінійні ефекти:

· Порушується принцип суперпозиції і виникає взаємодія хвиль, що приводить до появи тонів;

· Змінюється форма хвилі, її спектр збагачується вищими гармоніками і відповідно зростає поглинання;

· При досягненні деякого порогового значення інтенсивності УЗ в рідині виникає кавітація (див. Нижче).

Критерієм застосовності законів лінійної акустики і можливості зневаги нелінійними ефектами є: М<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М називається «число Маха».

Пеціфіческіе особливості ультразвуку

Хоча фізична природа УЗ і визначають його поширення основні закони ті ж, що і для звукових хвиль будь-якого діапазону частот, він має низку специфічних особливостей. Ці особливості обумовлені відносно високими частотами УЗ.

Трохи довжини хвилі визначає променевої характер   поширення УЗ-вих хвиль. Поблизу випромінювача хвилі поширюються у вигляді пучків, поперечний розмір яких зберігається близьким до розміру випромінювача. Потрапляючи на великі перешкоди такий пучок (УЗ промінь) відчуває віддзеркалення і заломлення. При попаданні променя на малі перешкоди виникає розсіяна хвиля, що дозволяє виявляти в середовищі малі неоднорідності (порядку десятих і сотих часток мм.). Відбиток і розсіювання УЗ на неоднорідностях середовища дозволяють формувати в оптично непрозорих середовищах звукові зображення   предметів, використовуючи звукові фокусують системи, подібно до того, як це робиться за допомогою світлових променів.

Фокусування УЗ дозволяє не тільки отримувати звукові зображення (системи звуковидения і акустичної голографії), але і концентрувати  звукову енергію. За допомогою УЗ-вих фокусуючих систем можна формувати задані характеристики спрямованості   випромінювачів і управляти ними.

Періодична зміна показника заломлення світлових хвиль, пов'язане зі зміною щільності в УЗ-хвилі, викликає дифракцию світла на ультразвуку  , Що спостерігається на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого діапазону. УЗ хвилю при цьому можна розглядати як дифракційну решітку.

Найважливішим нелінійним ефектом в УЗ-вом поле є кавітація   - виникнення в рідини маси пульсуючих бульбашок, заповнених паром, газом або їх сумішшю. Складний рух бульбашок, їх схлопування, злиття один з одним і т.д. породжують в рідині імпульси стиснення (мікроударние хвилі) і мікропотоки, викликають локальне нагрівання середовища, іонізацію. Ці ефекти впливають на речовину: відбувається руйнування знаходяться в рідині твердих тіл ( кавітаційна ерозія), Виникає перемішування рідини, ініціюються або прискорюються різні фізичні і хімічні процеси. Змінюючи умови протікання кавітації, можна підсилювати або послаблювати різні кавитационні ефекти, наприклад із зростанням частоти УЗ збільшується роль мікропотоків і зменшується кавітаційна ерозія, зі збільшенням тиску в рідині зростає роль мікроударних впливів. Збільшення частоти призводить до підвищення порогового значення інтенсивності, відповідної початку кавітації, яке залежить від роду рідини, її газосодержания, температури і т.д .. Для води при атмосферному тиску воно зазвичай становить 0,3¸1,0 Вт / см 2. Кавітація - складний комплекс явищ. УЗ-ші хвилі, що поширюються в рідині, утворюють чергуються області високих і низьких тисків, що створюють зони високих стиснень і зони розрідження. У розрідженій зоні гідростатичний тиск знижується до такого ступеня, що сили, що діють на молекули рідини, стають більше сил міжмолекулярної зчеплення. В результаті різкої зміни гідростатичного рівноваги рідина «розривається», утворюючи численні дрібні бульбашки газів і парів. В наступний момент, коли в рідині настає період високого тиску, що утворилися раніше бульбашки схлопиваются. Процес схлопування бульбашок супроводжується утворенням ударних хвиль з дуже великим місцевим миттєвим тиском, що досягає декількох сотень атмосфер.

Джерелом і приймачі ультразвуку.

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 УЗ-вимі 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 хвилі.

Механічні випромінювачі.

У випромінювачі першого типу (механічних) перетворення кінетичної енергії струменя (рідини або газу) в акустичну виникає в результаті періодичного переривання струменя (сирена), при натекания її на перешкоди різного виду (газоструйние генератори, свистки).

УЗ сирена - два диска з великою кількістю отворів, поміщені в камеру (рис. 1).

де N - число отворів, равнораспределенія по колу ротора і статора; w - кутова швидкість ротора.

Тиск в камері сирен звичайно становить від 0,1 до 5,0 кгс / см 2. Верхня межа частоти УЗ, що випромінюється сиренами не перевищує 40¸50 кГц, однак відомі конструкції з верхньою межею 500 кГц. ККД генераторів не перевищує 60%. Так як джерелом випромінюваного сиреною звуку є імпульси газу, що випливає з отворів, частотний спектр сирен визначається формою цих імпульсів. Для отримання синусоїдальних коливань використовують сирени з круглими отворами, відстані між якими рівні їх діаметру. При отворах прямокутної форми, віддалених один від одного на ширину отвору, форма імпульсу трикутна. У разі застосування декількох роторів (що обертаються з різною швидкістю) з отворами розташованими нерівномірно і різної форми, можна отримати шумовий сигнал. Акустична потужність сирен може досягати десятків кВт. Якщо в поле випромінювання потужної сирени помістити вату, то вона запалиться, а сталеві стружки нагріваються до червоного.

Принцип дії УЗ генератора-свистка майже такий же, як і звичайного міліцейського свистка, але розміри його значно більше. Потік повітря з великою швидкістю розбивається об гострий край внутрішньої порожнини генератора, викликаючи коливання з частотою, що дорівнює власній частоті резонатора. За допомогою такого генератора можна створювати коливання з частотою до 100 кГц при відносно невеликій потужності. Для отримання великих потужностей застосовують газоструйние генератори, у яких швидкість витікання газу вище. Рідинні генератори застосовують для випромінювання УЗ на рідину. У рідинних генераторах (рис. 2) в якості резонансної системи служить двостороннє вістря, в якому порушуються ізгібние коливання.

Для роботи рідинного (гідродинамічного) генератора необхідно надлишковий тиск рідини 5 кг / см 2. частота коливань такого генератора визначається співвідношенням:

де v - швидкість рідини, яка витікає з сопла; d - відстань між вістрям і соплом.

Гідродинамічні випромінювачі в рідини дають відносно дешеву УЗ-ву енергію на частотах до 30¸40 кГц при інтенсивності в безпосередній близькості від випромінювача до декількох Вт / см 2.

Механічні випромінювачі використовуються в низькочастотному діапазоні УЗ і в діапазоні звукових хвиль. Вони відносно прості за конструкцією і в експлуатації, їх виготовлення не дорого, але вони не можуть створювати монохроматичне випромінювання і тим більше випромінювати сигнали строго заданої форми. Такі випромінювачі відрізняються нестабільністю частоти і амплітуди, однак при випромінюванні в газових середовищах вони мають відносно високу ефективність і потужність випромінювання: їх ккд складає від декількох% до 50%, потужність від кількох ват до десятків кВт.

Електроакустичні перетворювачі.

Випромінювачі другого типу грунтуються на різних фізичних ефектах електромеханічного перетворення. Як правило, вони лінійні, тобто відтворюють за формою збудливий електричний сигнал. У низькочастотному УЗ-вом діапазоні застосовуються електродинамічні  випромінювачі та випромінювальні магнітострикційні   перетворювачі та п'єзоелектричні  перетворювачі. Найбільш широкого поширення набули випромінювачі магнитострикционного і п'єзоелектричного типів.

У 1847 р Джоуль зауважив, що феромагнітні матеріали, вміщені в магнітне поле, змінюють свої розміри. Це явище назвали магнітострикційним   ефектом. Якщо по обмотці, накладеної на феромагнітний стержень, пропустити змінний струм, то під впливом мінливого магнітного поля стрижень буде деформуватися. Нікелеві сердечники, на відміну від залізних, в магнітному полі коротшають. При пропущенні перемінного струму по обмотці випромінювача його стрижень деформується в одному напрямку при будь-якому напрямку магнітного поля. Тому частота механічних коливань буде вдвічі більше частоти змінного струму.

Щоб частота коливань випромінювача відповідала частоті збудливого струму, в обмотку випромінювача підводять постійна напруга поляризації. У поляризованого випромінювача збільшується амплітуда змінної магнітної індукції, що призводить до збільшення деформації сердечника і підвищенню потужності.

Магнітострикційний ефект використовується при виготовленні УЗ-вих магнітострикційних перетворювачів (рис. 3).

Найчастіше застосовують перетворювачі з нікелю (висока стійкість проти корозії, низька ціна). Магнітострикційні сердечники можуть бути виготовлені і з феритів. У феритів високий питомий опір, в результаті чого втрати на вихрові струми в них мізерно малі. Однак феррит - крихкий матеріал, що викликає небезпеку їх перевантаження при великої потужності. Ккд магнітострикційних перетворювачів при випромінюванні в рідину і тверде тіло складає 50¸90%., Інтенсивність випромінювання досягає декількох десятків Вт / см 2.

У 1880 році брати Жак і П'єр Кюрі відкрили п'єзоелектричний   ефект - якщо деформувати платівку кварцу, то на її гранях з'являються протилежні за знаком електричні заряди. Спостерігається і зворотне явище - якщо до електродів кварцовою платівки підвести електричний заряд, то її розміри зменшаться або збільшаться в залежності від полярності підводиться заряду. При зміні знаків прикладеної напруги кварцова платівка буде то стискатися, то розтискати, тобто вона буде коливатися в такт зі змінами знаків прикладеної напруги. Зміна товщини пластинки пропорційно прикладеній напрузі.

Принцип п'єзоелектричного ефекту використовується при виготовленні випромінювачів УЗ-вих коливань, які перетворюють електричні коливання в механічні. Як п'єзоелектричних матеріалів застосовують кварц, титанат барію, фосфат амонію.

Ккд п'єзоелектричних перетворювачів досягає 90%, інтенсивність випромінювання - кілька десятків Вт / см 2. Для збільшення інтенсивності і амплітуди коливань використовують УЗ-ші концентратори. У діапазоні середніх УЗ-вих частот концентратор являє собою фокусуючу систему, найчастіше у вигляді п'єзоелектричного перетворювача увігнутою форми, що випромінює сходящуюся хвилю. У фокусі подібних концентраторів досягається інтенсивність 10 5 -10 6 Вт / см 2.

Приймачі ультразвуку.

Як приймачів ультразвуку на низьких і середніх частотах найчастіше застосовують електроакустичні перетворювачі п'єзоелектричного типу. Такі приймачі дозволяють відтворювати форму акустичного сигналу, тобто тимчасову залежність звукового тиску. Залежно від умов застосування приймачі роблять або резонансними, або широкосмуговими. Для отримання усереднених за часом характеристик звукового поля використовують термічними приймачами звуку у вигляді покритих звукопоглинальним речовиною термопар або термісторів. Інтенсивність і звуковий тиск можна оцінювати і оптичними методами, наприклад по дифракції світла на УЗ.

Рименение ультразвуку.

Різноманітні застосування УЗ, при яких використовуються різні його особливості, можна умовно розбити на три напрямки. Перша пов'язана з отриманням інформації за допомогою УЗ-вих хвиль, друге - з активним впливом на речовина і третє - з обробкою і передачею сигналів. При кожному конкретному застосуванні використовується УЗ певного частотного діапазону (табл. 1). Розповімо лише про деякі з численних областей, де знайшов застосування УЗ.

Ультразвукове очищення.

Якість УЗ очищення незрівнянно з іншими способами. Наприклад, при полосканні деталей на їх поверхні залишається до 80% забруднень, при вібраційної очищенні - близько 55%, при ручному - близько 20%, а при ультразвукової - не більше 0,5%. Крім того, деталі, що мають складну форму, важкодоступні місця, добре можна очистити тільки за допомогою ультразвуку. Особлива перевага УЗ-вої очищення полягає в її високій продуктивності при малій витраті фізичної праці, можливості заміни вогненебезпечних або дорогих органічних розчинників безпечними і дешевими водними розчинами лугів, рідким фреоном та ін.

Ультразвукове очищення - складний процес, що поєднує місцеву кавітацію з дією великих прискорень в очищає рідини, що призводить до руйнування забруднень. Якщо забруднену деталь помістити в

Таблиця 1

рідина і опромінити ультразвуком, то під дією ударної хвилі кавітаційних бульбашок поверхню деталі очищається від бруду.

Серйозною проблемою є боротьба з забрудненням повітря пилом, димом, кіптявою, оксидами металів і т.д. Ультразвуковий метод очищення газу і повітря може застосовуватися в існуючих газовідводу незалежно від температури і вологості середовища. Якщо помістити УЗ-вої випромінювач в пилеосадочную камеру, то ефективність її дії зростає в сотні разів. У чому сутність УЗ-вої очищення повітря? Порошинки, які безладно рухаються в повітрі, під дією ультразвукових коливань частіше і сильніше вдаряються одна об одну. При цьому вони зливаються і розмір їх збільшується. Процес укрупнення частинок називається коагуляцією. Уловлюються укрупнені і обтяжені частки спеціальними фільтрами.

Механічна обробка надтвердих

і крихких матеріалів.

Якщо між робочою поверхнею УЗ-вого інструменту і оброблюваної деталлю ввести абразивний матеріал, то при роботі випромінювача частки абразиву будуть впливати на поверхню деталі. Матеріал руйнується і видаляється при обробці під дією великої кількості направлених мікроударів (рис. 4).

Кінематика ультразвукової обробки складається з головного руху - різання, тобто поздовжніх коливань інструменту, і допоміжного руху - руху подачі. Поздовжні коливання є джерелом енергії абразивних зерен, які і виробляють руйнування оброблюваного матеріалу. Допоміжне рух - рух подачі - може бути поздовжнім, поперечним і круговим. Ультразвукова обробка забезпечує більшу точність - від 50 до 1 мк в залежності від зернистості абразиву. Застосовуючи інструменти різної форми можна виконувати не тільки отвори, але і складні вирізи. Крім того, можна вирізати криволінійні осі, виготовляти матриці, шліфувати, гравірувати і навіть свердлити алмаз. Матеріали, використовувані як абразив - алмаз, корунд, кремінь, кварцовий пісок.

Ультразвукове зварювання.

З існуючих методів жоден з них не підходить для зварювання різнорідних металів або якщо до товстих деталей потрібно приварити тонкі пластини. В цьому випадку УЗ-вая зварювання незамінна. Її іноді називають холодною, тому що деталі з'єднуються в холодному стані. Остаточного уявлення про механізм утворення з'єднань при УЗ-вої зварюванні немає. У процесі зварювання після введення ультразвукових коливань між зварюються пластинами утворюється шар високопластична металу, при цьому пластини дуже легко повертаються навколо вертикальної осі на будь-який кут. Але як тільки ультразвукове випромінювання припиняють, відбувається миттєве «схоплювання» пластин.

Ультразвукове зварювання відбувається при температурі значно меншою температури плавлення, тому з'єднання деталей відбувається в твердому стані. За допомогою УЗ можна зварювати багато металів і сплави (мідь, молібден, тантал, титан, багато хто став). Найкращі результати виходять при зварюванні тонколистових різнорідних металів і приварок до товстих деталей тонких листів. При УЗ-вої зварюванні мінімально змінюються властивості металу в зоні зварювання. Вимоги до якості підготовки поверхні значно нижче, ніж при інших методах зварювання. УЗ зварюванні добре піддаються і неметалеві матеріали (пластмаса, полімери)

Ультразвукова паяння та лудіння.

У промисловості все більшого значення набуває УЗ-вая пайка і лудіння алюмінію, нержавіючої сталі та інших матеріалів. Труднощі пайки алюмінію полягає в тому, що його поверхня завжди покрита тугоплавкой плівкою окису алюмінію, яка утворюється практично миттєво при зіткненні металу з киснем повітря. Ця плівка перешкоджає зіткненню розплавленого припою з поверхнею алюмінію.

В даний час одним з ефективних методів пайки алюмінію є ультразвуковий, пайка із застосуванням УЗ проводиться без флюсу. Введення механічних коливань ультразвукової частоти в розплавленийприпой в процесі пайки сприяє механічному руйнуванню окисної плівки і полегшує змочування припоєм поверхні.

Принцип УЗ-вої пайки алюмінію полягає в наступному. Між паяльником і деталлю створюється шар рідкого розплавленого припою. Під дією УЗ-вих коливань в припої виникає кавітація, що руйнує оксидну плівку. Перед паянням деталі нагрівають до температури, що перевищує температуру плавлення припою. Великою перевагою методу є те, що його можна з успіхом застосовувати для пайки кераміки і скла.

Прискорення виробничих процесів

за допомогою ультразвуку.

¾ Застосування ультразвуку дозволяє значно прискорити змішування різних рідин і отримати стійкі емульсії (навіть таких як вода і ртуть).

¾ Впливаючи УЗ-вимі коливаннями великої інтенсивності на рідини, можна отримувати тонкодисперсні аерозолі високої щільності.

¾ Порівняно недавно почали застосовувати УЗ для просочення електротехнічних намотувальних виробів. Застосування УЗ дозволяє скоротити час просочення в 3¸5 раз і замінити 2-3 кратну просочення одноразовою.

¾ Під дією УЗ значно прискорюється процес гальванічного осадження металів і сплавів.

¾ Якщо в розплавлений метал вводити УЗ-ші коливання, помітно подрібнюється зерно, зменшується пористість.

¾ Ультразвук застосовується при обробці металів і сплавів в твердому стані, що призводить до «розпушуванню» структури і до штучного їх старіння.

¾ УЗ при пресуванні металевих порошків забезпечує одержання пресованих виробів більш високої щільності і стабільності розмірів.

Ультразвукова дефектоскопія.

  Ультразвукова дефектоскопія - один з методів неруйнівного контролю. Властивість УЗ поширюватися в однорідному середовищі направлено і без істотних затуханий, а на кордоні розділу двох середовищ (наприклад, метал - повітря) майже повністю відбиватися дозволило застосувати УЗ-ші коливання для виявлення дефектів (раковини, тріщини, розшарування і т.п.) в металевих деталях без їх руйнування.

  За допомогою УЗ можна перевіряти деталі великих розмірів, так як глибина проникнення УЗ в металі досягає 8¸10 м. Крім того, ультразвуком можна виявити дуже дрібні дефекти (до 10 -6 мм).

УЗ-ші дефектоскопи дозволяють виявляти не тільки утворилися дефекти, але і визначати момент підвищеної втоми металу.

Існує кілька методів ультразвукової дефектоскопії, основними з яких є тіньовий, імпульсний, резонансний, метод структурного аналізу, ультразвукової візуалізації.

Тіньовий метод заснований на ослабленні проходять УЗ-вих хвиль при наявності всередині деталі дефектів, що створюють УЗ-ву тінь. При цьому методі використовується два перетворювача. Один з них випромінює ультразвукові коливання, інший приймає їх (рис. 5). Тіньовий метод малочувствителен, дефект можна виявити якщо викликається їм зміну сигналу становить не менше 15¸20%. Істотний недолік тіньового методу в тому, що він не дозволяє визначити на якій глибині знаходиться дефект.

Імпульсний метод УЗ-вої дефектоскопії заснований на явищі відображення ультразвукових хвиль. Принцип дії імпульсного дефектоскопа показаний на рис. 6. Високочастотний генератор виробляє короткочасні імпульси. Посланий випромінювачем імпульс, відбившись, повертається назад до перетворювача, який в цей час працює на прийом. З перетворювача сигнал надходить на підсилювач, а потім на відхиляють електронно трубки. Для отримання на екрані трубки зображення зондирующих і відображених імпульсів передбачений генератор розгортки. Роботою високочастотного генератора управляє синхронізатор, який з певною частотою формує високочастотні імпульси. Частота посилки імпульсів може змінюватися з таким розрахунком, щоб відбитий імпульс приходив до перетворювача раніше посилки наступного імпульсу.

Імпульсний метод дозволяє досліджувати вироби при односторонньому доступі до них. Метод має підвищену чутливість, відображення навіть 1% УЗ-вої енергії буде помічено. Перевага імпульсного методу полягає ще і в тому, що він дозволяє визначити на якій глибині знаходиться дефект.

Ультразвук в радіоелектроніці.

У радіоелектроніці часто виникає необхідність затримати один електричний сигнал щодо іншого. Вдале рішення знайшли вчені, запропонувавши ультразвукові лінії затримки (ЛЗ). Дія їх засновано на перетворенні електричних імпульсів в імпульси УЗ-вих механічних коливань, швидкість поширення яких значно менше швидкості поширення електромагнітних коливань. Після зворотного перетворення механічних коливань в електричні імпульс напруги на виході лінії буде затриманий щодо вхідного імпульсу.

Для перетворення електричних коливань в механічні та назад використовують магнітострикційні і п'єзоелектричні перетворювачі. Відповідно до цього ЛЗ підрозділяються на магнітострикційні і п'єзоелектричні.

Магнітострикційна ЛЗ складається з вхідного і вихідного перетворювачів, магнітів, звукопровода і поглиначів.

Вхідний перетворювач складається з котушки, по якій протікає струм вхідного сигналу, ділянки звукопровода з магнитострикционного матеріалу, в якому виникають механічні коливання УЗ-вої частоти, і магніту, що створює постійне підмагнічування зони перетворення. Вихідний перетворювач по влаштуванню майже не відрізняється від вхідного.

Звукопровод є стрижень з магнитострикционного матеріалу, в якому порушуються УЗ-ші коливання, що поширюються зі швидкістю приблизно 5000 м / с. для затримки імпульсу, наприклад, на 100 мкс довжина звукопровода повинна бути близько 43 см. Магніт потрібен для створення початкової магнітної індукції і підмагнічування зони перетворення.

Принцип дії магнітострикційному ЛЗ заснований на зміні розмірів феромагнітних матеріалів під впливом магнітного поля. Механічне обурення, викликане магнітним полем котушки вхідного перетворювача, передається по звокопроводу і, дійшовши до котушки вихідного перетворювача, наводить в ній електрорушійну силу.

П'єзоелектричні ЛЗ влаштовані таким чином. На шляху електричного сигналу ставлять п'єзоелектричний перетворювач (пластинку кварцу), який жорстко з'єднаний з металевим стрижнем (звукопровода). До другого кінця стрижня прикріплений другий п'єзоелектричний перетворювач. Сигнал, підійшовши до вхідного перетворювача, викликає механічні коливання УЗ-вої частоти, які потім поширюються в звукопроводе. Досягнувши другого перетворювача, УЗ-ші коливання знову перетворюються в електричні. Але так як швидкість поширення УЗ в звукопроводе значно менше швидкості менше швидкості поширення електричного сигналу, сигнал, на шляху якого був звукопровод, відстає від іншого на величину, рівну різниці швидкості поширення УЗ і електромагнітних сигналів на певній ділянці.

Ультразвук в медицині.

Застосування УЗ для активного впливу на живий організм в медицині грунтується на ефектах, що виникають в біологічних тканинах при проходженні через них УЗ-вих хвиль. Коливання частинок середовища в хвилі викликають своєрідний мікромасаж тканин, поглинання УЗ - локальне нагрівання їх. Одночасно під дією УЗ відбуваються фізико-хімічні перетворення в біологічних середовищах. При помірної інтенсивності звуку ці явища не викликають незворотних ушкоджень, а лише покращують обмін речовин і, отже, сприяють життєдіяльності організму. Ці явища знаходять застосування в УЗ-вої терапії  (Інтенсивність УЗ до 1 Вт / см 2) .    При великій інтенсивності сильне нагрівання і кавітація викликають руйнування тканин. Цей ефект знаходить застосування в УЗ-вої хірургії . Для хірургічних операцій використовують фокусований УЗ, який дозволяє виробляти локальні руйнування в глибинних структурах, наприклад мозку, без пошкодження навколишніх тканин (інтенсивність УЗ досягає сотень і навіть тисяч Вт / см 2). У хірургії застосовують також УЗ-ші інструменти, робочий кінець яких має вигляд скальпеля, пилки, голки і т.п. Накладення УЗ-вих коливань на такі, звичайні для хірургії, інструменти надає їм нові якості, істотно знижуючи необхідне зусилля і, отже, травматизм операції; крім того, виявляється кровоспинний і знеболюючий ефект. Контактна вплив тупим УЗ-вим інструментом застосовується для руйнування деяких новоутворень.

Вплив потужного УЗ на біологічні тканини застосовується для руйнування мікроорганізмів в процесах стерилізації медичних інструментів і лікарських речовин.

УЗ знайшов застосування в стоматологічній практиці для зняття зубного каменю. Він дозволяє безболісно, ​​безкровно, швидко видаляти зубний камінь і наліт з зубів. При цьому не травмується слизова порожнину рота і знезаражуються «кишені» порожнини, а пацієнт замість болю відчуває відчуття теплоти.

Література.

1. І.П. Голяміна. Ультразвук. - М .: Радянська енциклопедія, 1979.

2. І.Г. Хорбенко. У світі нечутні звуків. - М.: Машинобудування, 1971.

3. В.П. Северденко, В.В. Клубовіч. Застосування ультразвуку в промисловості. - Мінськ: Наука і техніка, 1967.

Релаксація акустична - внутрішні процеси відновлення термодинамічної рівноваги середовища, яку порушували сжатиями і розрідження в УЗ-вої хвилі. Згідно термодинамическому принципом рівномірного розподілу енергії за ступенями свободи, енергія поступального руху в звуковій хвилі переходить на внутрішні ступені свободи, збуджуючи їх, в результаті чого зменшується енергія, яка припадає на поступальний рух. Тому релаксація завжди супроводжується поглинанням звуку, а також дисперсією швидкості звуку.

У монохроматичної хвилі зміна коливається величини W в часі відбувається за законом синуса або косинуса і описується в кожній точці формулою: .

Розрізняють два види магнитострикции: лінійна, при якій геометричні розміри тіла змінюються в напрямку прикладеного поля, і об'ємна, при якій геометричні розміри тіла змінюються у всіх напрямках. Лінійна магнітострикція спостерігається при значно менших напряженностях поля, ніж об'ємна. Тому практично в магнітострикційних перетворювачів використовується лінійна магнітострикція.

Термістор - резистор, опір якого, залежить від температури. Термопара - два провідники з різних металів, з'єднаних разом. На кінцях провідників виникає ЕРС пропорційно температурі.

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!

Частоти 16 Гц-20 кГц, які здатний сприймати слуховий апарат людини прийнято називати звуковими чи акустичними, наприклад писк комара «10 кГц. Але повітря, глибини морів і земні надра наповнені звуками, що лежать поза цього діапазону - інфра і ультразвуками. У природі ультразвук зустрічається в якості компонента багатьох природних шумів, в шумі вітру, водоспаду, дощу, морської гальки, перекочується прибоєм, в грозових розрядах. Багато ссавці, наприклад кішки і собаки, мають здатність сприйняття ультразвуку, частотою до 100 кГц, а локаційні здатності кажанів, нічних комах і морських тварин всім добре відомі. Існування таких звуків було виявлено з розвитком акустики тільки в кінці XIX століття. Тоді ж почалися перші дослідження УЗ, але основи його застосування були закладені тільки в першій третині XX-століття.

Що таке ультразвук

Ультразвукові хвилі (нечутний звук) за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підкоряються тим же фізичним законам. Але у ультразвуку є специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці і техніці.

Ось основні з них:

• Мала довжина хвилі. Для найнижчого УЗ діапазону довжина хвилі не перевищує в більшості середовищ декількох сантиметрів. Мала довжина хвилі обумовлює променевої характер поширення УЗ хвиль. Поблизу випромінювача УЗ поширюється у вигляді пучків, за розміром близьких до розміру випромінювача. Потрапляючи на неоднорідності в середовищі, УЗ пучок поводиться, як світловий промінь відчуваючи відображення, заломлення, розсіювання, що дозволяє в оптично непрозорих середовищах формувати звукові зображення, використовуючи чисто оптичні ефекти (фокусування, дифракцію і ін.)
• Малий період коливань, що дозволяє випромінювати ультразвук у вигляді імпульсів і здійснювати в середовищі точну тимчасову селекцію розповсюджуються сигналів.
• Можливість отримання високих значень інтенсивності коливань при малій амплітуді, тому що енергія коливань пропорційна квадрату частоти. Це дозволяє створювати УЗ пучки і поля з високим рівнем енергії, не вимагаючи при цьому великогабаритної апаратури.
• В ультразвуковому полі розвиваються значні акустичні течії, тому вплив ультразвуку на середу породжує специфічні фізичні, хімічні, біологічні та медичні ефекти, такі як кавітація, капілярний ефект, диспергування, емульгування, дегазація, знезараження, локальний нагрів і багато інших.

Історія ультразвуку

Увага до акустики було викликано потребами морського флоту провідних держав - Англії і Франції, тому що акустичний - єдиний вид сигналу, здатний далеко поширюватися в воді. У 1826 році французький учений Колладон визначив швидкість звуку у воді. Експеримент Колладона вважається народженням сучасної гідроакустики. Удар в підводний дзвін у Женевському озері відбувався з одночасним підпалом пороху. Спалах від пороху спостерігалася Колладон на відстані 10 миль. Він також чув звук дзвону за допомогою підводного слухової труби. Вимірюючи часовий інтервал між цими двома подіями, Колладон обчислив швидкість звуку - 1435 м / сек. Різниця з сучасними обчисленнями тільки 3 м / сек.

У 1838 році, в США, звук вперше застосували для визначення профілю морського дна. Джерелом звуку, як і в досвіді Колладона, був дзвін, що звучить під водою, а приймачем великі слухові труби, опускалися за борт. Результати експерименту були невтішними - звук дзвону, також як і підрив в воді порохових патронів, давав дуже слабке відлуння, майже не чутне серед інших звуків моря. Треба було йти в область більш високих частот, що дозволяють створювати спрямовані звукові пучки.

Перший генератор ультразвуку зробив в 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук створювався подібно звуку високого тону на вістрі ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря в свистку Гальтона грав циліндр з гострими краями. Повітря (або інший газ), що виходить під тиском через кільцеве сопло, діаметром таким же, як і кромка циліндра, набігав на неї і виникали високочастотні коливання. Продуваючи свисток воднем, вдалося отримати коливання до 170 кГц.

У 1880 році П'єр і Жак Кюрі зробили вирішальний для ультразвукової техніки відкриття. Брати Кюрі помітили, що при чиненні тиску на кристали кварцу генерується електричний заряд, прямо пропорційний прикладається до кристалу силі. Це явище було названо «п'єзоелектрику» від грецького слова, що означає «натиснути». Крім того, вони продемонстрували зворотний п'єзоелектричний ефект, який проявлявся тоді, коли швидко змінюється електричний потенціал застосовувався до кристалу, викликаючи його вібрацію. Відтепер з'явилася технічна можливість виготовлення малогабаритних випромінювачів і приймачів ультразвуку.

Загибель «Титаніка» від зіткнення з айсбергом, необхідність боротьби з новою зброєю - підводними човнами вимагали швидкого розвитку ультразвукової гідроакустики. У 1914 році, французький фізик Поль Ланжевен спільно з російським ученим, які жили в Швейцарії - Костянтином Шиловським вперше розробили гідролокатор, що складається з випромінювача ультразвуку і гідрофону - приймача УЗ коливань, заснований на п'єзоефекті. Гідролокатор Ланжевена - Шиловського, був першим ультразвуковим пристроєм, що застосовувався на практиці. Також на початку століття російський вчений С.Я.Соколов розробив основи ультразвукової дефектоскопії в промисловості. У 1937 році німецький лікар-Упсіхіатр Карл Дуссік, разом з братом Фрідріхом, фізиком, вперше застосували ультразвук для виявлення пухлин головного мозку, але результати отримані ними виявилися недостовірними. У медичній діагностиці ультразвук почав застосовуватися тільки з 50-х років XX-го століття в США.

застосування ультразвуку

Різноманітні застосування ультразвуку можна умовно розділити на три напрямки:

1. отримання інформації за допомогою ультразвуку
2. вплив на речовина, істота
3. обробка та передача сигналів

Залежність швидкості поширення і затухання акустичних хвиль від властивостей речовини і процесів в них відбуваються, використовується для:

• контролю протікання хімічних реакцій, фазових переходів, полімеризації і ін.
• визначення міцності і складу матеріалів,
• визначення наявності домішок,
• визначення швидкості течії рідини і газу

За допомогою ультразвуку можна прати, відлякувати гризунів, використовувати в медицині, перевіряти різні матеріали на наявність дефектів і ще багато чого цікавого.

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.

Головна » інструкції » Ультразвук - частота, інтенсивність і глибина проникнення. Ультразвук - Що це таке?