Що таке ультразвук? Застосування ультразвуку в техніці та медицині

21-е століття – століття радіоелектроніки, атома, підкорення космосу і ультразвуку. Порівняно молода в наші дні наука про ультразвук. У кінці 19 століття П. М. Лебедєв, російський вчений-фізіолог, провів перші його дослідження. Після цього ультразвуком почали займатися багато видатних учених.

Що таке ультразвук?

Ультразвук – це розповсюджується хвилеподібно коливальний рух, яке здійснюють частинки середовища. Він має свої особливості, за якими відрізняється від звуків чутного діапазону. Порівняно легко в ультразвуковому діапазоні отримати направлене випромінювання. До того ж він добре фокусується, і в результаті цього підвищується інтенсивність здійснюваних коливань. При поширенні в твердих тілах, рідинах і газах ультразвук народжує цікаві явища, що знайшли практичне застосування в багатьох областях техніки і науки. Ось що таке ультразвук, роль якого в різних сферах життя сьогодні дуже велика.

Роль ультразвуку в науці і практиці

Ультразвук в останні роки став грати в наукових дослідженнях все більшу роль. Були успішно проведені експериментальні та теоретичні дослідження в області акустичних течій і ультразвукової кавітації, що дозволило вченим розробити технологічні процеси, які протікають при впливі в рідкій фазі ультразвуку. Він є потужним методом дослідження різноманітних явищ і в такій галузі знання, як фізика. Ультразвук застосовується, наприклад, у фізиці напівпровідників і твердого тіла. Сьогодні формується окремий напрямок хімії, що отримало назву "ультразвукова хімія". Її застосування дозволяє прискорити безліч хіміко-технологічних процесів. Зародилася також молекулярна акустика – новий розділ акустики, який вивчає молекулярна взаємодія з речовиною звукових хвиль. З'явилися нові сфери застосування ультразвуку: голографія, інтроскопія, акустоелектроніка, ультразвукова фазомерія, квантова акустика.

Крім експериментальних і теоретичних робіт у цій області, сьогодні було виконано безліч практичних. Розроблено спеціальні і універсальні ультразвукові верстати, установки, які працюють під підвищеним статичним тиском та ін. Впроваджені у виробництво ультразвукові автоматичні установки, включені в потокові лінії, що дозволяє істотно підвищити продуктивність праці.

Детальніше про ультразвук

Розповімо докладніше про те, що таке ультразвук. Ми вже говорили про те, що це пружні хвилі і коливання. Частота ультразвуку складає більше 15-20 кГц. Суб'єктивними властивостями нашого слуху визначається нижня межа ультразвукових частот, яка відділяє її від частоти чутного звуку. Ця межа, таким чином, є умовною, і кожен з нас по-різному визначає, що таке ультразвук. Верхня межа позначена пружними хвилями, їх фізичною природою. Вони поширюються тільки в матеріальному середовищі, тобто довжина хвилі повинна бути істотно більше, ніж довжина вільного пробігу наявних в газі молекул або ж міжатомних відстаней в твердих тілах і рідинах. При нормальному тиску в газах верхня межа частот УЗ – 10⁹ Гц, а твердих тілах і рідинах – 10¹²-10¹³ Гц.

Джерела ультразвуку

Ультразвук в природі зустрічається і як компонент безлічі природних шумів (водоспаду, вітру, дощу, гальки, перекочує прибоєм, а також у супроводжуючих розряди грози звуках і т. Д.), І як невід'ємна частина тваринного світу. Їм деякі види тварин користуються для орієнтування в просторі, виявлення перешкод. Відомо, крім того, що ультразвук в природі використовують дельфіни (в основному частоти від 80 до 100 кГц). Дуже великий при цьому може бути потужність випромінюваних ними локаційних сигналів. Відомо, що дельфіни здатні виявляти косяки риб, що знаходяться на відстані до кілометра від них.

Випромінювачі (джерела) ультразвуку діляться на 2 великі групи. Перша – це генератори, в яких коливання збуджуються через наявність в них перешкод, встановлених на шляху руху постійного потоку – струменя рідини чи газу. Друга група, в яку можна об'єднати джерела ультразвуку, – електроакустичні перетворювачі, які перетворюють задані коливання струму або електричної напруги в механічне коливання, скоєне твердим тілом, яке випромінює акустичні хвилі в навколишнє середовище.

Приймачі ультразвуку

На середніх і низьких частотах приймачами ультразвуку виступають найчастіше п'єзоелектричного типу електроакустичні перетворювачі. Вони можуть відтворювати форму отриманого акустичного сигналу, представлену як тимчасова залежність звукового тиску. Прилади можуть бути або широкосмуговими, або резонансними – залежно від того, для яких умов застосування вони призначені. Термічні приймачі використовують для отримання характеристик звукового поля, усереднених за часом. Вони являють собою покриті звукопоглинальним речовиною термістори або термопари. Звуковий тиск та інтенсивність можна оцінювати також оптичними методами, такими як дифракція світла на УЗ.

Де застосовується ультразвук?

Існує безліч сфер його застосування, при цьому використовуються різні особливості ультразвуку. Ці сфери можна розбити умовно на три напрями. Перше з них пов'язане з отриманням допомогою УЗ-хвиль різної інформації. Другий напрямок – активний вплив його на речовину. А третє пов'язане з передачею та обробкою сигналів. УЗ певного діапазону частот використовується в кожному конкретному випадку. Ми розповімо тільки про деякі з безлічі областей, в яких він знайшов своє застосування.

Очищення за допомогою ультразвуку

Якість такої очистки не можна порівняти з іншими способами. При полосканні деталей, наприклад, на поверхні їх зберігається до 80% забруднень, близько 55% – при вібраційної очищенню, близько 20% – при ручний, а при ультразвукової залишається не більше 0,5% забруднень. Деталі, які мають складну форму, можливо добре очистити лише за допомогою ультразвуку. Важливою перевагою його використання є висока продуктивність, а також малі витрати фізичної праці. Більш того, можна замінити дорогі та вогненебезпечні органічні розчинники дешевими і безпечними водними розчинами, застосовувати рідкий фреон та ін.

Серйозна проблема – забруднення повітря кіптявою, димом, пилом, оксидами металів і т. д. Можна використовувати ультразвуковий спосіб очищення повітря і газу в газовідводом незалежно від вологості середовища і температури. Якщо УЗ-випромінювач помістити в пилеосадочную камеру, в сотні разів збільшиться ефективність її дії. У чому ж полягає сутність такого очищення? Безладно рухаються в повітрі пилинки сильніше і частіше вдаряються один про одного під дією ультразвукових коливань. При цьому розмір їх збільшується за рахунок того, що вони зливаються. Коагуляцією називається процес укрупнення частинок. Спеціальними фільтрами уловлюються обтяжені і укрупнені їх скупчення.

Механічна обробка крихких і надтвердих матеріалів

Якщо ввести між оброблюваною деталлю і робочою поверхнею інструменту, що використовує ультразвук, абразивний матеріал, то частки абразиву при роботі випромінювача стануть впливати на поверхню цієї деталі. При цьому руйнується матеріал і віддаляється, піддаючись обробці під дією безлічі спрямованих мікроударів. Кінематика обробки складається з основного руху – різання, тобто здійснюються інструментом поздовжніх коливань, і допоміжного – руху подачі, які здійснює апарат.

Ультразвук може проробляти різні роботи. Для абразивних зерен джерелом енергії є поздовжні коливання. Вони і руйнують оброблюваний матеріал. Рух подачі (допоміжне) може бути круговим, поперечним і поздовжнім. Обробка за допомогою ультразвуку має більшу точність. Залежно від того, яку зернистість має абразив, вона становить від 50 до 1 мк. Використовуючи інструменти різної форми, можна робити не тільки отвори, але також і складні вирізи, криволінійні осі, гравірувати, шліфувати, виготовляти матриці і навіть свердлити алмаз. Використовувані як абразив матеріали – корунд, алмаз, кварцовий пісок, кремінь.

Ультразвук в радіоелектроніці

Ультразвук в техніці часто використовується в галузі радіоелектроніки. У цій сфері часто з'являється необхідність затримати електричний сигнал щодо якогось іншого. Вчені знайшли вдале рішення, запропонувавши використовувати ультразвукові лінії затримки (скорочено – ЛЗ). Їх дія заснована на тому, що електричні імпульси перетворяться в ультразвукові механічні коливання. Як же це відбувається? Справа в тому, що швидкість ультразвуку істотно менше, ніж та, яку розвивають електромагнітні коливання. Імпульс напруги після зворотного перетворення в електричні механічних коливань буде затриманий на виході лінії щодо імпульсу вхідного.

П'єзоелектричні і магнітострикційні перетворювачі використовують для перетворення коливань електричних в механічні і назад. ЛЗ відповідно цьому діляться на п'єзоелектричні і магнітострикційні.

Ультразвук в медицині

Різні види ультразвуку застосовуються для впливу на живі організми. У медичній практиці його використання зараз дуже популярно. Воно грунтується на ефектах, які виникають в біологічних тканинах тоді, коли через них проходить ультразвук. Хвилі викликають коливання частинок середовища, що створює своєрідний мікромасаж тканин. А поглинання ультразвуку веде до їх локальному нагріванню. Разом з тим в біологічних середовищах відбуваються певні фізико-хімічні перетворення. Ці явища в разі помірної інтенсивності звуку незворотних ушкоджень не викликають. Вони тільки покращують обмін речовин, а значить і сприяють життєдіяльності схильного їм організму. Такі явища застосовуються в УЗ-вої терапії.

Ультразвук в хірургії

Кавітація і сильне нагрівання при великих інтенсивностях призводять до руйнування тканин. Даний ефект застосовується сьогодні в хірургії. Фокусний ультразвук використовують для хірургічних операцій, що дозволяє здійснювати локальні руйнування в самих глибинних структурах (наприклад, мозку), не пошкоджуючи при цьому навколишні. У хірургії також використовуються ультразвукові інструменти, в яких робочий кінець має вигляд пилки, скальпеля, голки. Коливання, що накладаються на них, надають нові якості цих приладів. Необхідне зусилля значно знижується, отже, зменшується травматизм операції. До того ж проявляється знеболюючий і кровоспинний ефект. Вплив тупим інструментом із застосуванням ультразвуку використовується для руйнування з'явилися в організмі деяких видів новоутворень.

Вплив на біологічні тканини здійснюється для руйнування мікроорганізмів і використовується в процесах стерилізації лікарських засобів і медичних інструментів.

Дослідження внутрішніх органів

В основному мова йде про дослідження черевної порожнини. Для цієї мети використовується спеціальний апарат. Ультразвук може застосовуватися для знаходження та розпізнавання різних аномалій тканин і анатомічних структур. Завдання часто така: існує підозра на наявність злоякісного утворення і потрібно відрізнити його від утворення доброякісного або інфекційного.

Ультразвук корисний при дослідженні печінки і для вирішення інших завдань, до яких відноситься виявлення непрохідності і захворювань жовчних проток, а також дослідження жовчного міхура для виявлення наявності в ньому каменів і інших патологій. Крім того, може застосовуватися дослідження цирозу та інших дифузних доброякісних захворювань печінки.

В області гінекології, головним чином при аналізі яєчників і матки, застосування ультразвуку є протягом тривалого часу головним напрямком, в якому воно здійснюється особливо успішно. Найчастіше тут також потрібна диференціація доброякісних і злоякісних утворень, що вимагає зазвичай найкращого контрастного та просторового дозволу. Подібні висновки можуть бути корисні і при дослідженні безлічі інших внутрішніх органів.

Застосування ультразвуку в стоматології

Ультразвук також знайшов своє застосування і в стоматології, де він використовується для видалення зубного каменю. Він дозволяє швидко, безкровно і безболісно зняти наліт і камінь. При цьому слизова порожнину рота не травмується, а "кишені" порожнини знезаражуються. Замість болю пацієнт відчуває відчуття теплоти.