Crearea de ultrasunete. Efectele biologice ale ecografiei și ale siguranței. Domenii de aplicare pentru diagnosticare.

Ultrasunete - Ce este?

Teorie și practică.

Cu toata complexitatea teoriei ultrasunete, pentru a intelege principiile suprafetelor de curatare cu ultrasunete nu este atat de dificila. Acest articol este adresat celor care doresc să obțină o idee despre principalele fenomene utilizate în tehnologiile de curățare acustică și, cel mai important, să înțeleagă "cum funcționează acest lucru", ce criterii pot fi folosite pentru a ghida selecția echipamentului, a mediilor de curățare și a modurilor de procesare.
Tehnicile de curățare sunt în mod constant îmbunătățite. Amestecul de alcool-benzină utilizat pe scară largă în Rusia pentru curățarea plăcilor din reziduurile de flux și contaminanții din proces își pierde eficiența, diminuând dimensiunile componentelor. În sinusurile și lacunele descrescătoare nu există schimb de soluții necesare pentru a elimina contaminarea tehnologică de acolo.
Dorința de a îmbunătăți spălarea cu o creștere a timpului său duce la scurgerea liantului, formarea unei plăci albicioase pe suprafața plăcilor. Purificarea condensului practicată în străinătate, folosind hidrocarburi clorurate și fluorurate, dăunează ecologiei planetei noastre și va dispărea în viitor. În același timp, cerințele privind calitatea curățării sunt în continuă creștere.

Curățenia a devenit un factor de calitate relevant în multe industrii, ceea ce nu a fost cazul în trecut. În industria electronică, unde curățenia a fost întotdeauna importantă, a devenit un factor și mai important în asigurarea coerenței tehnologiilor de înaltă tehnologie.
Se pare că orice îmbunătățire a tehnologiei necesită din ce în ce mai multă atenție la curățenie pentru implementarea acesteia. Ca urmare, tehnologiile de curățare au fost revizuite critic în ultimii ani. Multe dintre ele se bazează acum pe utilizarea metodelor de curățare cu ultrasunete.
Într-adevăr, indiferent cât de eficiente sunt soluțiile de curățare, fără adăugarea de energie acustică a ultrasunetelor, nu este posibil să se asigure un nivel de curățare dat.

Ce este ultrasunetele?
Ultrasunete (US) - vibrații și valuri elastice a căror frecvență este mai mare de 15 ... 20 kHz. Limita inferioară a regiunii de frecvență a ultrasunetelor, care o separă de regiunea sunetului sonor, este determinată de proprietățile subiective ale auzului uman și este condiționată. Limita superioară se datorează naturii fizice a undelor elastice, care se pot propaga numai în mediul material, adică cu condiția ca lungimea de undă să fie semnificativ mai mare decât calea medie liberă a moleculelor în gaze sau distanțele interatomice în lichide și solide. Prin urmare, în gaze, limita superioară a frecvențelor ultrasonice este determinată de starea unei egalități aproximative a lungimii de undă a sunetului și a căii libere medii a moleculelor. La presiune normală, este de 109 Hz. În lichide și solide, egalitatea lungimii de undă la distanțele interatomice este decisivă, iar frecvența de decuplare ajunge la 1012-1013 Hz. În funcție de lungimea de undă și de frecvență, ultrasunetele au caracteristici specifice de radiație, recepție, propagare și utilizare, prin urmare gama de frecvențe ultrasonice este convenabil împărțită în trei subregiuni: scăzută - 1,5-10. .. 105 Hz; mediu - 105 ... 107 Hz; ridicat - 10 ... 100 Hz.

Teoria undelor sonore.
Ecranul ultrasonic ca valuri elastice.
Undele ultrasonice   prin natura lor, ele nu diferă de undele elastice ale razei auditive, precum și de undele infrasonice. Propagarea ultrasunetelor face obiectul legilor fundamentale comune valurilor acustice de orice domeniu de frecvență, denumite de obicei valuri sonore. Principalele legi ale propagării lor includ legile reflexiei și refracției sunetului la limitele diferitelor medii, difracția și împrăștierea sunetului în prezența unor obstacole și neomogenități în mediu și nereguli la limitele legilor propagării ghidului de undă în zone limitate ale mediului.

Caracteristicile specifice ale ultrasunetelor.
Deși natura fizică a ultrasunetelor și controlul propagării acestora, legile de bază sunt aceleași ca și pentru undele de sunet de orice domeniu de frecvență, are o serie de trăsături specifice care determină importanța acesteia în știință și tehnologie. Acestea se datorează frecvențelor sale relativ ridicate și, în consecință, unei lungimi de undă mici. Pentru regiunea cu frecvență joasă, lungimile de undă ultrasonice nu depășesc mai multe centimetri în majoritatea cazurilor și numai în vecinătatea limitei inferioare a intervalului ajungeau câteva zeci de centimetri până la solide. Undele ultrasonice se descompun mult mai repede decât valurile în intervalul de joasă frecvență, deoarece coeficientul de absorbție a sunetului (pe unitatea de distanță) este proporțional cu pătratul frecvenței.

O altă caracteristică foarte importantă a ultrasunetelor este posibilitatea de a obține valori ridicate ale intensității cu amplitudini relativ mici de deplasare vibrațională, deoarece la o anumită amplitudine intensitatea este direct proporțională cu pătratul frecvenței. Amplitudinea deplasării oscilante în practică este limitată de puterea emițătorilor acustici. Cel mai important efect neliniare într-un câmp ultrasonic este cavitația - apariția în masă a unei mase de bule pulsatoare umplută cu abur, gaz sau amestecul lor. Mișcarea complexă a bulelor, prăbușirea lor, fuzionarea între ele și așa mai departe, generează impulsuri de compresie (unde de micro-șoc) și micro-fluxuri într-un lichid, determină încălzirea locală a mediului și ionizarea. Aceste efecte afectează substanța: se produce distrugerea solidelor într-un lichid (eroziunea cavitației), diferite procese fizice și chimice sunt inițiate sau accelerate.

Prin schimbarea condițiilor de cavitație, se poate îmbunătăți sau slăbi diferitele efecte de cavitație. De exemplu, cu o creștere a frecvenței ultrasunetelor, rolul microproceselor crește și eroziunea cavitației scade, iar cu creșterea presiunii hidrostatice în lichid crește rolul efectelor micro-impactului. O creștere a frecvenței duce de obicei la o creștere a pragului de intensitate corespunzător debutului de cavitație, care depinde de tipul de lichid, de conținutul său de gaz, de temperatură etc. Pentru apa din domeniul ultrasonic de joasă frecvență, la presiunea atmosferică, este de obicei 0,3-1 W / cm3.

Surse de ultrasunete
În natură, ultrasunetele se găsesc în multe zgomote naturale (în zgomotul vântului, al cascadei, al ploii, în zgomotul pietricelelor, rulat de surf, în sunetele care însoțesc fulgerul etc.), precum și în lumea animalelor care o folosesc pentru ecolocație și comunicare. Emițătoarele tehnice de ultrasunete utilizate în studiul ultrasunetelor și al acestora aplicații tehnicepot fi împărțite în două grupuri.

Primul include emițători-generatori (fluiere). Oscilațiile din ele sunt excitate datorită prezenței unor obstacole în calea unui flux constant de gaz sau lichid.

Al doilea grup de emițători este traductoarele electroacustice: ele transformă oscilațiile electrice deja specificate în oscilații mecanice ale unui solid, care radiază undele acustice în mediul înconjurător.

Utilizarea ultrasunetelor.
Aplicațiile multiple de ultrasunete, care utilizează diferitele sale caracteristici, pot fi împărțite în trei direcții.
Primul este legat de primirea informațiilor prin intermediul unui RAS, cel de-al doilea - cu un efect activ asupra substanței și celui de-al treilea - cu prelucrarea și transmiterea semnalelor (direcțiile sunt enumerate în ordinea formării lor istorice).

Principiile de curățare cu ultrasunete.
Principalul rol în impactul ultrasunetelor asupra substanțelor și proceselor în lichide este cavitația. Cavitația se bazează pe cel mai utilizat proces tehnologic ultrasonic - curățarea suprafețelor solide. În funcție de natura poluării, diferitele manifestări ale cavitației pot avea o valoare mai mare sau mai mică, cum ar fi impactul micro, microflow-urile, încălzirea. Prin selectarea parametrilor câmpului sonor, a proprietăților fizico-chimice ale lichidului de spălare, a conținutului său de gaz, a factorilor externi (presiune, temperatură), este posibil să se controleze procesul de curățare pe o gamă largă, optimizându-se tipul de contaminare și tipul de componente curățate.

O varietate de curățare este gravarea în câmpul ultrasonic, unde acțiunea ultrasunetelor este combinată cu acțiunea substanțelor chimice puternice. Metalizarea și lipirea cu ultrasunete se bazează, de fapt, pe curățarea cu ultrasunete (inclusiv film de oxid) conectate sau suprafețe metalizate. Curățarea în timpul lipirii datorită cavitației în metalul topit. În același timp, gradul de purificare este atât de mare încât se formează compuși din materiale neabsorbabile, de exemplu aluminiu cu alte metale, diverse metale cu sticlă, ceramică și materiale plastice. În procesele de curățare și metalizare, efectul sonor-capilar este de asemenea esențial, asigurând penetrarea soluției de spălare sau topirea în cele mai mici fisuri și pori.

Mecanisme de curățare și spălare.
Curățarea în cele mai multe cazuri necesită dizolvarea contaminanților (în cazul dizolvării sărurilor) (în cazul sărurilor insolubile) sau dizolvate și curățate (ca în cazul particulelor insolubile fixate într-un strat de filme grase). Efectele mecanice ale energiei cu ultrasunete pot fi utile atât pentru accelerarea dizolvării, cât și pentru separarea particulelor de suprafața care este curățată.
Ecografia poate fi, de asemenea, utilizată în mod eficient în procesul de clătire. Detergentul chimic rezidual poate fi îndepărtat rapid prin clătire cu ultrasunete. Când se îndepărtează contaminanții prin dizolvare, solventul trebuie să intre în contact cu un film contaminant și să îl distrugă.

Deoarece solventul dizolvă contaminarea, o soluție saturată de contaminare în solvent apare la limita de contaminare a solventului, iar dizolvarea se oprește, deoarece nu există o soluție de soluție proaspătă la suprafața contaminării. Efectul ultrasunetelor distruge un strat de solvent saturat si asigura livrarea unei solutii proaspete la suprafata poluarii. Acest lucru este deosebit de eficient în cazurile în care suprafețele "greșite" cu un labirint de sinusuri și relief de suprafață, cum ar fi plăcile cu circuite imprimate și modulele electronice, sunt supuse curățării. Unii contaminanți sunt un strat de particule insolubile, aderați puternic la suprafață prin legăturile ionice și forțele de aderență. Aceste particule trebuie separate numai de suprafață pentru a rupe forțele de atracție și pentru a le transfera în volumul mediului de spălare pentru a le îndepărta ulterior. Cavitația și curenții acustici distrug praful, de ex. Praful, de pe suprafață, se spală și se îndepărtează.

Contaminanții, de regulă, sunt multi-componenți și pot conține componente solubile și insolubile în complex. Efectul ultrasunetelor constă în faptul că acestea emulsifiază orice componente, adică le transferă în mediul de spălare și, împreună cu acestea, le îndepărtează de pe suprafața produselor. Pentru a introduce energia cu ultrasunete în sistemul de curățare, sunt necesare un generator ultrasonic, un generator de energie electrică a generatorului în radiație ultrasonică și un contor de putere acustică.
Un generator electric cu ultrasunete convertește energia electrică a unei rețele în energie electrică la o frecvență ultrasonică. Aceasta se face prin metode cunoscute și nu are nicio specificitate. Cu toate acestea, este preferabil să se utilizeze o tehnică de generare digitală, atunci când ieșirea este un impuls dreptunghiular de polaritate alternantă. Eficiența acestor generatoare este aproape de 100%, ceea ce permite rezolvarea problemei intensității energetice a procesului. Utilizarea unei forme de undă dreptunghiulare are drept rezultat o radiație acustică bogată în armonici. Avantajele sistemului de curățare multi-frecvență sunt faptul că nu se formează zone "moarte" în nodurile de interferență din volumul mediului de spălare. Prin urmare, iradierea cu ultrasunete multifrecvată vă permite să aveți o instalație de curățare în aproape orice zonă a băii cu ultrasunete.

O altă tehnică pentru a scăpa de zonele moarte este utilizarea unui generator cu o frecvență de măturat. În acest caz, nodurile și antinodurile câmpului de interferență sunt deplasate în diferite puncte ale sistemului de curățare, fără a lăsa nici o zonă pentru curățare fără iradiere. Dar eficiența acestor generatoare este relativ scăzută.

Convertoare.
Există două tipuri generale de traductoare ultrasonice: magnetostricție și piezoelectrică. Ambele realizează aceeași sarcină de a transforma energia electrică în energie mecanică. În traductoarele magnetostrictive se utilizează efectul de magnetostricție, în care unele materiale modifică dimensiunile liniare într-un câmp magnetic alternativ. Energia electrică de la generatorul ultrasonic este mai întâi convertită prin înfășurarea magnetostrictorului într-un câmp magnetic alternativ. Câmpul magnetic alternativ, la rândul său, generează vibrații mecanice ale frecvenței ultrasonice datorită deformării circuitului magnetic în timp cu frecvența câmpului magnetic. Deoarece materialele magnetostrictive se comportă ca electromagneți, frecvența oscilațiilor lor de deformare este de două ori mai mare decât frecvența magneticului și, prin urmare, câmpul electric.
Convertoarele electromagnetice se caracterizează printr-o creștere a pierderilor de energie datorate curenților turbionari și inversării magnetizării cu frecvență în creștere. Prin urmare, traductoarele magnetostrictive puternice sunt rareori utilizate la frecvențe mai mari de 20 kHz.

Dimpotrivă, traductoarele piezo pot emite bine în gama megahertz. Traductorii magnetostrictivi sunt, în general, mai puțin eficienți decât omologii lor piezoelectric-electrici. Acest lucru se datorează în primul rând faptului că traductorul de magnetostricție necesită conversia energiei duble: de la electric la magnetic și apoi de la magnetic la mecanic. Pierderile de energie apar la fiecare conversie. Aceasta reduce eficiența magnetostrictorului.
Traductoarele piezo transformă energia electrică direct în energie mecanică prin utilizarea efectului piezoelectric, în care unele materiale (piezoelectrice) își schimbă dimensiunile liniare atunci când se aplică un câmp electric.
Anterior, emițătorii piezoelectrici utilizau astfel de materiale piezoelectrice ca cristalele de cuarț natural și titanatul de bariu sintetizat, care erau fragile și instabile și, prin urmare, erau nesigure.
În traductoarele moderne folosiți materiale piezoelectrice ceramice mai durabile și foarte stabile. Marea majoritate a sistemelor de curățare cu ultrasunete folosesc astăzi efectul piezoelectric.

Echipament de curatare cu ultrasunete.
Gama de echipament de curățare cu ultrasunete este foarte largă: de la module de birou mici în stomatologie, magazine de bijuterii, industria electronică până la sisteme uriașe cu volume de câteva mii de litri într-o serie de aplicații industriale. Alegerea echipamentului potrivit este esențială pentru succesul curățării cu ultrasunete. Cea mai simplă aplicare a curățării cu ultrasunete poate necesita doar un lichid de spălare încălzit. Sistemele mai complexe de curățare necesită un număr mare de bai, din care ultimul trebuie umplut cu apă distilată sau deionizată.
cel mai bun sisteme mari   utilizați traductoare ultrasonice imersibile, o combinație din care poate iradia băi de aproape orice dimensiune. Acestea oferă flexibilitate maximă, ușurință în utilizare și întreținere. Băile ultrasonice cu soluție de spălare încălzită sunt cele mai des folosite în laboratoare, medicină, bijuterii.
Liniile de curățare ultrasonice utilizate în producția pe scară largă unesc generatoare electrice ultrasonice, traductoare cu ultrasunete, un sistem de transport pentru deplasarea obiectelor de curățare prin băi și un sistem de control într-o singură clădire. Băile cu ultrasunete pot fi incluse în linia de metalizare chimică-galvanică folosind traductoare submersibile modulare ultrasonice.

Sisteme de curățare cu ultrasunete
Atunci când alegeți un sistem de curățare, este deosebit de important să acordați atenție caracteristicilor care fac posibilă utilizarea cea mai eficientă a acestuia. În primul rând, este important să se determine factorii de intensitate ai cavitației cu ultrasunete în lichidul de spălare. Temperatura lichidului este cea mai mare factor importantoferind o intensitate a cavitației. Schimbările de temperatură conduc la modificări ale vâscozității, solubilității în gaz în lichid, vitezei de difuzie a gazelor dizolvate în lichid și presiunii vaporilor.
Toate acestea afectează intensitatea cavitației. Lichidele vâscoase sunt inerțiale și nu pot reacționa suficient de repede pentru a forma bule de cavitație și curenți acustici puternici. Pentru cavitația cea mai eficientă, lichidul de curățare trebuie să conțină cât mai puțin de gaz dizolvat.
Gazul dizolvat în lichid scapă în timpul fazei cu bule de creștere a cavitației și slăbește efectul său exploziv, care este necesar pentru efectul așteptat al acțiunii cu ultrasunete. Cantitatea de gaz dizolvat într-un lichid scade odată cu creșterea temperaturii.
Rata de difuzie a gazelor dizolvate într-un lichid crește, de asemenea, la temperaturi mai ridicate. De aceea, se preferă curățarea în soluțiile de detergent încălzite.
Cavitația vaporizată, în care bulele de cavitație sunt umplute cu vapori lichizi, este cea mai eficientă. Intensitatea cavitatiei este direct legata de puterea de iradiere cu ultrasunete. De obicei, acesta este setat deasupra pragului de cavitație. Intensitatea cavitației este invers proporțională cu frecvența ultrasonică: pe măsură ce frecvența ultrasonică crește, dimensiunile bulelor de cavitație și efectul lor rezultat asupra suprafeței ce urmează a fi curățată scad. Pentru a compensa scăderea intensității expunerii cu ultrasunete la frecvență în creștere, poate crește doar puterea de radiație.

Oferind un efect de curățare maxim
O bună selecție de medii de curățare reprezintă cheia succesului în procesul de curățare cu ultrasunete. Mai întâi, compoziția selectată trebuie să fie compatibilă cu materialele suprafețelor care sunt curățate. Cele mai potrivite pentru acest scop sunt soluțiile apoase de detergenți tehnici. De regulă, acestea sunt substanțe active de suprafață comune (agenți tensioactivi). Degresarea soluțiilor de detergent este extrem de importantă pentru obținerea unor rezultate de curățare satisfăcătoare. Soluțiile sau soluțiile proaspete care au fost răcite cu o zi înainte trebuie să fie degazate înainte de procesul de curățare. Degazarea se face prin încălzirea lichidului și pre-iradierea băii cu ultrasunete. Timpul stabilit pentru degazarea unui lichid este de la câteva minute pentru băi mici până la o oră sau mai mult pentru un rezervor mare. Un rezervor neîncălzit poate fi degazat timp de câteva ore. Un semn de degazare completă este absența bulelor de gaze vizibile care se deplasează la suprafața lichidului și absența pulsațiilor vizibile ale bulelor. Puterea radiației ultrasonice trebuie comparată cu volumul băii. Curățarea obiectelor masive sau având un raport de suprafață mare poate necesita o putere suplimentară cu ultrasunete. Puterea excesivă poate cauza eroziunea cavitației sau un efect "ars" pe suprafețele moi. Dacă obiectele cu suprafețe diferite sunt curățate, se recomandă instalarea unei energii de iradiere pe o componentă mai puțin durabilă.
Este important să amplasați corect obiectele care trebuie curățate în baie. Dispozitivele submersibile nu trebuie să protejeze obiectele de expunerea la ultrasunete.
Materialele solide au, de obicei, o bună conductivitate sonoră și nu verifică obiectul care trebuie curățat. În același timp, obiectele de curățare trebuie orientate constant sau rotite în timpul curățării, pentru a curăța complet sinusurile interne și găurile orbite.

Utilizat corect tehnologia cu ultrasunete   asigură o viteză mai mare și o curățare de suprafață de înaltă calitate.
Eliminarea utilizării solvenților prin utilizarea mediilor apoase reduce costul procesului și rezolvă cel mai eficient problemele de mediu.
Ecografia nu este tehnologia viitorului, este tehnologia de azi.

Arkady Medvedev.

Frecvențele de 16-18000 Hz, pe care un aparat auditiv uman este capabil să le perceapă, se numește de obicei sunet, de exemplu, scânteia unui țânțar »10 kHz. Dar aerul, adâncimile mărilor și ale intestinelor pământului sunt pline de sunete care se află sub și peste acest interval - infra și ultrasunete. În natură, ecografia este găsită ca o componentă a multor zgomote naturale: în zgomotul vântului, cascadei, ploii, pietricelelor de mare, rulate de surf, în descărcările de trăsnet. Multe mamifere, cum ar fi pisicile și pisicile, au capacitatea de a percepe ultrasunetele la frecvențe de până la 100 kHz, iar abilitățile de localizare a liliecilor, a insectelor nocturne și a animalelor de mare sunt bine cunoscute tuturor. Existența unor sunete inadecvate a fost descoperită odată cu dezvoltarea acustică la sfârșitul secolului al XIX-lea. În același timp, primele studii de ultrasunete au început, dar fundamentele aplicării sale au fost stabilite doar în prima treime a secolului XX.

Limita inferioară a intervalului ultrasonic se numește oscilații elastice cu o frecvență de 18 kHz. Limita superioară a ultrasunetelor este determinată de natura undelor elastice, care se pot propaga numai cu condiția ca lungimea de undă să fie semnificativ mai mare decât calea medie liberă a moleculelor (în gaze) sau distanțele interatomice (în lichide și gaze). În gaze, limita superioară este "106 kHz, în lichide și solide" 1010 kHz. De regulă, ultrasunetele se referă la frecvențe de până la 106 kHz. Frecvențele mai mari se numesc hipersound.

Undele ultrasunetice, prin natura lor, nu diferă de valurile sunetelor auditive și respectă aceleași legi fizice. Dar, ultrasunetele au caracteristici specifice care au determinat-o. aplicație largă   în știință și tehnologie. Iată principalele:

• Lungime de undă scurtă. Pentru cea mai mică gamă de ultrasunete, lungimea de undă nu depășește câțiva centimetri în majoritatea materialelor media. Lungimea de undă scurtă determină natura radială a propagării undelor ultrasonice. În apropierea emițătorului, ultrasunetul se propagă sub formă de grinzi de dimensiuni apropiate de mărimea emițătorului. Pentru a ajunge la eterogenitatea mediului, fasciculul cu ultrasunete se comportă ca un fascicul de lumină, trăind reflexie, refracție, împrăștiere, ceea ce vă permite să creați imagini de sunet în medii optic opace utilizând efecte pur optice (focalizare, difracție etc.)
• O perioadă mică de oscilație, care permite emiterea de ultrasunete sub formă de impulsuri și efectuarea în mediu a timpului exact de selecție a semnalelor de propagare.
• Posibilitatea obținerii unor valori ridicate ale energiei oscilațiilor cu o amplitudine mică, deoarece energia oscilației este proporțională cu pătratul frecvenței. Acest lucru vă permite să creați grinzi și câmpuri cu ultrasunete cu un nivel ridicat de energie, fără a necesita echipamente de dimensiuni mari.
• Se dezvoltă curenți acustici considerabili în domeniul ultrasonic. Prin urmare, efectul ultrasunetelor asupra mediului generează efecte specifice: fizice, chimice, biologice și medicale. Cum ar fi cavitația, efectul sonocapilar, dispersia, emulsificarea, degazarea, dezinfecția, încălzirea locală și multe altele.
• Ecografia este inadecvată și nu creează disconfort pentru participanți.

Istoria ultrasunetelor. Cine a deschis ecografia.

Atenția la acustică a fost cauzată de nevoile marinei puterilor de frunte - Marea Britanie și Franța acusticul este singurul tip de semnal care se poate răspândi departe în apă. În 1826 franceză om de știință colladon   a determinat viteza sunetului în apă. Experimentul Colladon este considerat nașterea unei hidroacustice moderne. Lovitura la clopotul subacvatic din Lacul Geneva a avut loc cu arderea simultană a prafului de pușcă. Un fulger de pulbere a fost observat de Colladon la o distanță de 10 mile. De asemenea, el a auzit sunetul unui clopot folosind un tub auditiv subacvatic. Măsurând intervalul de timp dintre aceste două evenimente, Colladon a calculat viteza sunetului - 1435 m / s. Diferența față de calculele moderne este de numai 3 m / s.

În 1838, în Statele Unite, sunetul a fost folosit pentru a determina profilul fundului mării cu scopul de a pune un cablu telegrafic. Sursa de sunet, la fel ca în experimentul Colladon, era un clopot sonor subacvatic, iar receptorul era un tub de audiție mare care coborî deasupra părții navei. Rezultatele experimentului au fost dezamăgitoare. Sunetul clopotului (precum și explozia cartușelor de pudră în apă) au dat un ecou prea slab, aproape nemaiauzit printre alte sunete ale mării. A fost necesar să mergem în regiunea cu frecvențe mai înalte, permițând crearea unor fascicule de sunet direcționale.

Primul generator de ultrasunete   a făcut în 1883 un englez Francis Galton. Ecranul a fost creat ca un fluier la marginea unui cuțit, dacă îl arunci pe el. Rolul unei astfel de margini în fluier Galton a jucat cilindru cu muchii ascuțite. Aerul sau alt gaz eliberat sub presiune printr-o duză inelară, cu un diametru la fel ca marginea cilindrului, a intrat pe margine și au apărut oscilații de înaltă frecvență. Suflând fluierul cu hidrogen, am reușit să obținem oscilații de până la 170 kHz.

În 1880 Pierre și Jacques Curie   făcut crucial pentru descoperirea tehnologiei cu ultrasunete. Frații Curie au observat că atunci când a fost aplicată o presiune asupra cristalelor de cuarț, a fost generată o sarcină electrică direct proporțională cu forța aplicată cristalului. Acest fenomen a fost numit "piezoelectricitate" printr-un cuvânt grecesc care înseamnă "împinge". În plus, au demonstrat un efect piezoelectric invers, care sa manifestat în sine când un cristal a fost aplicat unui potențial electric în schimbare rapidă, generând vibrații. De acum înainte, capacitatea tehnică de fabricare a emițătoarelor mici și a receptoarelor de ultrasunete.

Moartea "Titanicului" din coliziunea cu un aisberg, nevoia de a lupta cu noi arme - submarine a cerut dezvoltarea rapidă a hidroacusticelor ultrasonice. În 1914, fizicianul francez Paul Langevin   împreună cu un om de știință talentat de emigrant rus, Konstantin Vasilyevich Shilovsky, pentru prima dată, a fost dezvoltat un sonar, format dintr-un emițător cu ultrasunete și un hidrofon - un receptor de vibrații ultrasonice, bazat pe efectul piezoelectric. sonar Langevin - Shilovsky, a fost primul dispozitiv cu ultrasuneteaplicate în practică. În același timp, cercetătorul rus S.Ya.Sokolov a dezvoltat fundamentele detectării defectelor cu ultrasunete în industrie. În 1937, psihiatrul german Karl Dussik, împreună cu fratele său, Friedrich, fizician, a folosit mai întâi ultrasunete pentru a detecta tumori cerebrale, dar rezultatele obținute s-au dovedit a fi nesigure. În practica medicală, ecografia a fost folosită pentru prima dată numai în anii 50 ai secolului XX în Statele Unite.

Noțiuni de bază cu ultrasunete.

Emitatoarele cu ultrasunete pot fi împărțite în două grupe mari:

1) Oscilațiile sunt excitate de obstacole în calea unui jet de gaz sau lichid sau prin întreruperea unui jet de gaz sau lichid. Utilizat în mod limitat, în principal pentru a obține o ultrasunete puternică într-un mediu gazos.

2) Oscilațiile sunt excitate de transformarea în oscilații mecanice de curent sau de tensiune. Majoritatea dispozitivelor cu ultrasunete folosesc radiatoare din acest grup: traductoare piezoelectrice și magnetostrictive.

În plus față de traductoare bazate pe efectul piezoelectric, traductoarele magnetostrictive sunt folosite pentru a produce un fascicul ultrasonic puternic. Magnetostricția este schimbarea mărimii corpurilor cu o schimbare a stării lor magnetice. Miezul materialului magnetostrictiv plasat în bobina conductivă își schimbă lungimea în funcție de forma semnalului curent care trece prin bobină. Acest fenomen, descoperit în 1842 de către James Joule, este caracteristic feromagneților și ferităților. Cele mai utilizate materiale magnetostrictive sunt aliajele pe bază de nichel, cobalt, fier și aluminiu. Cea mai mare intensitate a radiației ultrasonice permite atingerea permendurului de aliaj (49% Co, 2% V, restul este Fe), care este utilizat în emițătoarele cu ultrasunete de mare putere. În special, produse de compania noastră.

Utilizarea ultrasunetelor.

Aplicațiile multiple de ultrasunete pot fi împărțite în trei domenii:

• obținerea de informații despre o substanță
• expunere la substanță
• procesarea și transmisia semnalelor

Dependența vitezei de propagare și atenuare a undelor acustice asupra proprietăților materiei și a proceselor care apar în ele este utilizată în astfel de studii:

• studiul proceselor moleculare în gaze, lichide și polimeri
• studiul structurii cristalelor și a altor solide
• controlul reacțiilor chimice, tranzițiile de fază, polimerizarea etc.
• determinarea concentrației soluțiilor
• determinarea caracteristicilor de rezistență și a compoziției materialelor
• detectarea impurităților
• determinarea debitului de lichid și gaz

Măsurarea vitezei sunetului în solide ne permite să determinăm caracteristicile elastice și de rezistență ale materialelor structurale. O astfel de metodă indirectă de determinare a rezistenței este simplitatea convenabilă și posibilitatea utilizării în condiții reale.

Analizatoarele de gaz cu ultrasunete monitorizează acumularea de impurități periculoase. Dependența vitezei de ultrasunete asupra temperaturii este utilizată pentru termometria fără contact a gazelor și a lichidelor.

Aparatele de măsură cu ultrasunete care acționează asupra efectului Doppler se bazează pe măsurarea vitezei de zgomot în mișcarea lichidelor și a gazelor, inclusiv neuniforme (emulsii, suspensii, pulpuri). Un aparat similar este utilizat pentru a determina viteza și debitul de sânge în studiile clinice.

Un grup mare de metode de măsurare se bazează pe reflectarea și împrăștierea undelor ultrasunete la limitele mediilor. Aceste metode vă permit să stabiliți cu precizie locația corpurilor străine pentru mediu și sunt utilizate în domenii precum:

• sonar
• încercări nedistructive și detectarea defectelor
• diagnostic medical
• determină nivelurile de lichide și solide în vase închise în recipiente închise
• dimensionarea produselor
• vizualizarea câmpurilor de sunet - viziune sonoră și holografie acustică

Reflexia, refracția și posibilitatea de focalizare cu ultrasunete sunt folosite în detectarea defectelor ultrasonice, în microscoape acustice cu ultrasunete, în diagnosticarea medicală, pentru a studia macroinhomogenitatea substanței. Prezența neomogenităților și coordonatele lor sunt determinate de semnalele reflectate sau de structura umbrei.

Metodele de măsurare bazate pe dependența parametrilor sistemului oscilant rezonant de proprietățile mediului de încărcare (impedanță) sunt utilizate pentru măsurarea continuă a vâscozității și a densității lichidelor, pentru măsurarea grosimii părților accesibile numai de pe o parte. Același principiu se întemeiază pe testerele de duritate cu ultrasunete, nivelometre, alarmele de nivel. Avantajele metodelor de control cu ​​ultrasunete: timpul de măsurare scurt, capacitatea de a controla mediile explozive, corozive și toxice, impactul instrumentului asupra mediului și proceselor controlate.

Efectul ultrasunetelor asupra substanței.

Efectul ultrasunetelor asupra unei substanțe care duce la modificări ireversibile în ea este utilizat pe scară largă în industrie. În acest caz, mecanismele de acțiune ale ultrasunetelor sunt diferite pentru diferite medii. În gaze, factorul principal este debitul acustic, accelerând procesele de transfer de căldură și masă. În plus, eficacitatea amestecării cu ultrasunete este mult mai mare decât cea obișnuită hidrodinamică, deoarece stratul de graniță are o grosime mai mică și, ca o consecință, o temperatură sau un gradient de concentrație mai mare. Acest efect este utilizat în procese precum:

• uscare cu ultrasunete
• arderea în domeniul ultrasunetelor
• coagularea aerosolului

În tratamentul ultrasonic al lichidelor, factorul principal este cavitatie . Următoarele procese tehnologice se bazează pe efectul cavitației:

• curățarea cu ultrasunete
• placare și lipire
• efectul sonor-capilar - pătrunderea lichidelor în cele mai mici pori și fisuri. Se utilizează pentru impregnarea materialelor poroase și are loc cu orice tratament cu ultrasunete al substanțelor solide în lichide.
• cristalizare
• intensificarea proceselor electrochimice
• producția de aerosoli
• distrugerea microbiană și sterilizarea cu ultrasunete a instrumentelor

Curenți acustici   - Unul dintre principalele mecanisme de acțiune a ultrasunetelor asupra unei substanțe. Aceasta este cauzată de absorbția energiei cu ultrasunete în substanță și în stratul limită. Fluxurile acustice diferă de hidrodinamica printr-o grosime redusă a stratului de graniță și posibilitatea subtierii acesteia cu o frecvență de oscilație în creștere. Aceasta conduce la o scădere a grosimii stratului de temperatură sau limită de concentrație și la o creștere a gradientului de temperatură sau de concentrație, care determină viteza de transfer de căldură sau de masă. Aceasta contribuie la accelerarea proceselor de ardere, uscare, amestecare, distilare, difuzie, extracție, impregnare, sorbție, cristalizare, dizolvare, degazare a lichidelor și a topiturilor. Într-un flux de energie mare, undele acustice sunt influențate de energia fluxului însuși, prin schimbarea turbulențelor. În acest caz, energia acustică poate fi doar o fracțiune de procente din energia fluxului.

Atunci când un val de sunet de înaltă intensitate trece printr-un lichid, așa-numitul cavitația acustică . Într-un val de sunet intens, bulele de cavitație apar în timpul perioadelor de jumătate de rărire, care se prăbușesc brusc când se deplasează presiune ridicată. În regiunea de cavitație, perturbații hidrodinamice puternice apar sub formă de valuri de micro-șocuri și micro-fluxuri. În plus, colapsul bulelor este însoțit de o încălzire locală puternică a substanței și de eliberarea gazului. Un astfel de impact conduce la distrugerea unor substanțe atât de puternice precum oțelul și cuarțul. Acest efect este folosit pentru a dispersa solidele, a obține emulsiile fin dispersate de lichide nemiscibile, a iniția și a accelera reacțiile chimice, a distruge microorganismele, a extrage enzimele din celulele animalelor și plantelor. Cavitația definește, de asemenea, astfel de efecte, cum ar fi strălucirea slabă a unui lichid sub acțiunea ultrasunetelor - sunetul luminiscenței , și penetrarea anormal de profundă a fluidului în capilare - efectul sonocapilar .

Dispersia de cavitație a cristalelor de carbonat de calciu (scară) reprezintă baza dispozitivelor acustice anti-scale. Sub influența ultrasunetelor apare despicarea particulelor în apă, mărimea medie a acestora scade de la 10 la 1 micron, crește numărul lor și suprafața totală a particulelor. Aceasta conduce la transferul formării scării de la suprafața schimbătorului de căldură la lichidul însuși. Ecranul acționează de asemenea asupra stratului format de scară, formând micro-crăpături în el care ajută la ruperea bucăților de scală de pe suprafața de schimb de căldură.

În instalațiile de curățare cu ultrasunete, cavitația și microflow-urile generate de aceasta elimină impuritățile care sunt rigid conectate la suprafață, cum ar fi scara, scara, spărturile și poluarea moale, cum ar fi filmele grase, murdăria etc. Același efect este folosit pentru intensificarea proceselor electrolitice.

Sub acțiunea ultrasunetelor, apare un efect curios cum ar fi coagularea acustică, adică convergența și extinderea particulelor suspendate în lichid și gaz. Mecanismul fizic al acestui fenomen nu este încă complet clar. Coagularea acustică este utilizată pentru depunerea pulberilor industriale, a fumului și a ceațălor la frecvențe joase pentru ultrasunete de până la 20 kHz. Este posibil ca efectul benefic al sunetului clopoturilor bisericești să se bazeze pe acest efect.

Prelucrarea solidelor folosind ultrasunetele se bazează pe următoarele efecte:

• reducerea frecarii dintre suprafete in timpul vibratiilor ultrasonice ale uneia dintre ele
• reducerea rezistenței la deformare sau a deformării plastice sub acțiunea ultrasunetelor
• întărirea și reducerea tensiunilor reziduale în metale sub impactul unui instrument cu o frecvență ultrasonică
• Efectele combinate ale compresiei statice și ale vibrațiilor cu ultrasunete sunt utilizate la sudarea cu ultrasunete.

Există patru tipuri de prelucrare folosind ultrasunete:

• prelucrarea dimensională a pieselor din materiale dure și fragile
• tăierea materialelor dificil de tăiat cu ultrasunete pe sculele de tăiere
• debavurând într-o baie ultrasonică
• măcinarea materialelor vâscoase cu curățarea cu ultrasunete a discului de rectificat

Efectele ultrasunetelor asupra obiectelor biologice   provoacă o varietate de efecte și reacții în țesuturile organismului, care este utilizat pe scară largă în terapia cu ultrasunete și chirurgie. Ecografia este un catalizator care accelerează stabilirea unei stări de echilibru a corpului, în termeni de fiziologie, adică stare sănătoasă. Ecografia are un impact mult mai mare asupra țesuturilor bolnave decât asupra celor sănătoase. De asemenea, au fost utilizate medicamente cu pulverizare cu ultrasunete în timpul inhalării. Operația cu ultrasunete se bazează pe următoarele efecte: distrugerea țesuturilor prin ultrasunetele focalizate în sine și impunerea vibrațiilor cu ultrasunete pe instrumentul chirurgical de tăiere.

Dispozitivele ultrasonice sunt utilizate pentru conversia și procesarea electronică a semnalelor electronice și pentru controlul semnalelor luminoase în optică și optoelectronică. Ultrasunetele cu viteză redusă sunt utilizate în liniile de întârziere. Controlul semnalelor optice se bazează pe difracția luminii prin ultrasunete. Un tip de astfel de difracție, așa-numita difracție Bragg, depinde de lungimea de undă a ultrasunetelor, ceea ce face posibilă izolarea unui interval de frecvență îngust dintr-un spectru larg de radiații luminoase, adică lumina de filtrare.

Ecografia este un lucru extrem de interesant și se poate presupune că multe posibilități de aplicare practică nu sunt încă cunoscute de omenire. Ne place și cunoaștem ultrasunetele și vom fi bucuroși să discutăm despre orice idei legate de utilizarea acestuia.

Unde se aplică ultrasunete - tabel rezumat

Întreprinderea noastră, Ring-Energo LLC, este implicată în producerea și instalarea dispozitivelor acustice Acoustic-T acustice. Dispozitivele fabricate de compania noastră se disting printr-un nivel excepțional de ridicat al semnalului ultrasonic, care le permite să lucreze la cazane fără tratarea apei și cazane de abur și apă cu apă arteziană. Dar prevenirea scării este o parte foarte mică a ceea ce poate face ultrasunetele. Acest uimitor instrument natural are mari oportunități și vrem să vă spunem despre ele. Angajații companiei noastre au lucrat timp de mulți ani în conducerea întreprinderilor ruse angajate în acustică. Știm multe despre ultrasunete. Și dacă brusc trebuie să aplicați ultrasunete în tehnologia dvs.,

principal » instrucțiuni » Crearea de ultrasunete. Efectele biologice ale ecografiei și ale siguranței. Domenii de aplicare pentru diagnosticare.