Применение ультразвука в медицине и технике (кратко). Что такое ультразвук? Применение ультразвука в технике и медицине

C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Ультразвук и его свойства

В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.

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

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

• 1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
• 2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

Потребности морского флота ведущих держав - Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Отдельным направлением применения ультразвука в медицине является ультразвуковая физиотерапия.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ультразвук………………………………………………………………….4

Ультразвук как упругие волны……………………………………..4

Специфические особенности ультразвука………………………………..5

Источники и приемники ультразвука……………………………………..7

Механические излучатели…………………………………………...7

Электроакустические преобразователи…………………………….9

Приемники ультразвука……………………………………………..11

Применение ультразвука…………………………………………………...11

Ультразвуковая очистка……………………………………………...11

Механическая обработка сверхтвердых и хрупких

материалов……………………………………………………………13

Ультразвуковая сварка……………………………………………….14

Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14

Ускорение производственных процессов………………..…………15

Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15

Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17

Ультразвук в медицине………………………………..……………..18

Литература…………………………………………………..……………….19

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10 9 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10 12 -10 13 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

· низкие УЗ-вые частоты (1,5×10 4 – 10 5 Гц);

· средние (10 5 – 10 7 Гц);

· высокие (10 7 – 10 9 Гц).

Упругие волны с частотами 10 9 – 10 13 Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвук как упругие волны.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке , наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия ), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см 2 . Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

Ультразвуком называют упругие волны (волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил), частота которых лежит за пределами слышимого для человека диапазона - приблизительно от 20 кГц и выше.

Полезные особенности ультразвуковых волн

И хотя физически ультразвук имеет ту же природу, что и слышимый звук, отличаясь лишь условно (более высокой частотой), именно благодаря более высокой частоте ультразвук оказывается применим по ряду полезных направлений. Так, при измерении скорости ультразвука в твердом, жидком или газообразном веществе, получают очень незначительные погрешности при мониторинге быстропротекающих процессов, при определении удельной теплоемкости (газа), при измерении упругих постоянных твердых тел.

Высокая частота при малых амплитудах дает возможность достигать повышенных плотностей потоков энергии, ибо энергия упругой волны пропорциональна квадрату ее частоты. Кроме того ультразвуковые волны, используемые правильным образом позволяют получить ряд совершенно особенных акустических эффектов и явлений.

Одно из таких необычных явлений - акустическая кавитация, возникающая при направлении мощной ультразвуковой волны в жидкость. В жидкости, в поле действия ультразвука, крохотные пузырьки пара или газа (субмикроскопического размера) начинают расти до долей миллиметров в диаметре, при этом пульсируя с частотой волны и схлопываясь в положительной фазе давления.

Захлопывающийся пузырек порождает локально высокий импульс давления, измеряемый тысячами атмосфер, становясь источником ударных сферических волн. Акустические микропотоки, образующиеся возле таких пульсирующих пузырьков, возымели полезное применение для получения эмульсий, очистки деталей и т. д.

Фокусируя ультразвук, получают звуковые изображения в акустической голографии и в системах звуковидения, концентрируют звуковую энергию с целью формирования направленных излучений с заданными и управляемыми характеристиками направленности.

Используя ультразвуковую волну в качестве дифракционной решетки для света, можно для тех или иных целей изменять показатели преломления света, поскольку плотность в ультразвуковой волне, как и в упругой волне в принципе, периодически изменяется.

Наконец, особенности, связанные со скоростью распространения ультразвука. В неорганических средах ультразвук распространяется со скоростью, зависящей от упругости и плотности сред.

Что касается сред органических, то здесь на скорость влияют границы и их характер, то есть фазовая скорость зависит от частоты (дисперсия). Ультразвук затухает с удалением фронта волны от источника - фронт расходится, ультразвук рассеивается, поглощается.

Внутреннее трение среды (сдвиговая вязкость) приводит к классическому поглощению ультразвука, кроме того релаксационное поглощение для ультразвука превосходит классическое. В газе ультразвук затухает сильнее, в твердых и в жидких телах - гораздо слабее. В воде, например, затухает в 1000 раз медленнее чем в воздухе. Так, промышленные области применения ультразвука почти целиком связаны с твердыми и жидкими телами.

Ультразвук в эхолокации и гидролокации (пищевая, оборонная, добывающая промышленности)

Первый прообраз гидролокатора был создан для предотвращения столкновений судов со льдинами и айсбергами, русским инженером Шиловским вместе с французским физиком Ланжевеном в далеком 1912 году.

Прибор использовал принцип отражения и приема звуковой волны. Сигнал направлялся в определенную точку, а по задержке ответного сигнала (эхо), зная скорость звука, можно было судить о расстоянии до отразившего звук препятствия.

Шиловский и Ланжевен стали глубоко исследовать гидроакустику, и вскоре создали прибор, способный обнаруживать вражеские подводные лодки в Средиземном море на расстоянии до 2 километров. Все современные гидролокаторы, в том числе военные, - потомки того самого прибора.

Современные эхолоты для исследования рельефа дна состоят из четырех блоков: передатчика, приемника, преобразователя и экрана. Функция передатчика - отправлять вглубь воды ультразвуковые импульсы (50 кГц, 192 кГц или 200 кГц), которые распространяются в воде со скоростью 1,5 км/с, где отражаются от рыб, камней, других предметов и дна, затем эхо достигает приемника, обрабатывается преобразователем и результат отображается на дисплее в удобной для зрительного восприятия форме.

Ультразвук в электронной и электроэнергетической промышленности

Без ультразвука не обходятся многие области современной физики. Физика твердого тела и полупроводников, а также акустоэлектроника, во многом тесно сопряжены с ультразвуковыми методами исследований, - с воздействиями на частоте от 20 кГц и выше. Особенное место занимает здесь акустоэлектроника, где ультразвуковые волны взаимодействуют с электрическими полями и электронами внутри твердых тел.

Объемные ультразвуковые волны используются на линиях задержки и в кварцевых резонаторах с целью стабилизации частоты в современных радиоэлектронных системах обработки и передачи информации. Поверхностные акустические волны занимают особое место в полосовых фильтрах для телевидения, в синтезаторах частот, в устройствах переноса заряда акустической волной, в устройствах памяти и считывания изображений. Наконец, корреляторы и конвольверы - используют в своей работе поперечный акустоэлектрический эффект.

Радиоэлектроника и ультразвук

Для задержки одного электрического сигнала относительно другого полезны ультразвуковые линии задержки. Электрический импульс преобразуется в импульсное механическое колебание ультразвуковой частоты, которое распространяется многократно медленнее электромагнитного импульса; затем механическое колебание обратно преобразуется в электрический импульс, и получается сигнал, задержанный относительно подаваемого изначально.

Для такого преобразования обычно применяют пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, поэтому и линии задержки называются пьезоэлектрическими или магнитострикционными.

В пьезоэлектрической линии задержки электрический сигнал подается на кварцевую пластинку (пьезоэлектрический преобразователь), соединенную жестко с металлическим стрежнем.

К другому концу стержня присоединен второй пьезоэлектрический преобразователь. Входной преобразователь принимает сигнал, создает механические колебания, распространяющиеся по стрежню, и когда колебания достигают через стержень второго преобразователя, вновь получается электрический сигнал.

Скорость распространения колебаний по стержню сильно меньше чем просто у электрического сигнала, поэтому сигнал, прошедший через стержень задерживается относительно подаваемого на величину, связанную с разностью скоростей электромагнитных и ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционная линия задержки сдержит входной преобразователь, магниты, звукопровод, выходной преобразователь и поглотители. Входной сигнал подается на первую катушку, в стержневом звукопроводе из магнитострикционного материала начинаются колебания ультразвуковой частоты - механические колебания - магнит создает здесь постоянное подмагничивание в зоне преобразования и начальную магнитную индукцию.

Ультразвук в обрабатывающей промышленности (резка и сварка)

Между источником ультразвука и деталью располагают абразивный материал (кварцевый песок, алмаз, камень и т. д.). Ультразвук действует на частицы абразива, которые в свою очередь с частотой ультразвука ударяют о деталь. Материал детали под воздействием огромного количества крохотных ударов абразивных зерен разрушается, - так происходит обработка.

Резание складывается с движением подачи, при этом продольные колебания резания являются основными. Точность ультразвуковой обработки зависит от зернистости абразива, и достигает 1 мкм. Таким путем делают сложные вырезы, необходимые в изготовлении металлических деталей, шлифовке, гравировке и сверлении.

Если необходимо сварить разнородные металлы (или даже полимеры) или толстую деталь объединить с тонкой пластиной - на помощь опять же приходит ультразвук. Это так называемая . Под действием ультразвука в области сварки металл становится очень пластичным, детали можно очень легко вращать во время соединения под любыми углами. И стоит отключить ультразвук - детали мгновенно соединятся, схватятся.

Особенно примечательно, что сварка происходит при температуре ниже температуры плавления деталей, и соединение их происходит фактически в твердом состоянии. Но так сваривают и стали, и титан, и даже молибден. Тонкие листы свариваются проще всего. Данный метод сварки не предполагает особой подготовки поверхности деталей, это касается и металлов и полимеров.

Ультразвук в металлургии (ультразвуковая дефектоскопия)

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из эффективнейших методов контроля качества металлических деталей без разрушения. В однородных средах ультразвук распространяется без быстрых затуханий направленно, и на границе сред ему свойственно отражение. Так металлические детали проверяют на наличие внутри них раковин и трещин (граница сред воздух-металл), выявляют повышенную усталость металла.

Ультразвук способен проникнуть в деталь на глубину до 10 метров, причем размеры выявляемых дефектов имеют порядок 5 мм. Существуют: теневой, импульсный, резонансный, структурного анализа, визуализации, - пять методов ультразвуковой дефектоскопии.

Простейший метод - теневая ультразвуковая дефектоскопия, данный метод строится на ослаблении ультразвуковой волны, когда она наталкивается на дефект при прохождении сквозь деталь, поскольку дефект создает ультразвуковую тень. Работают два преобразователя: первый излучает волну, второй - принимает.

Данный метод малочувствителен, дефект обнаруживается лишь в случае, если его влияние изменяет сигнал минимум на 15%, к тому же нельзя определить глубину, где в детали находится дефект. Более точные результаты дает импульсный ультразвуковой метод, он показывает еще и глубину.

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

Что такое ультразвук

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

Вот основные из них:

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

История ультразвука

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

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

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

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

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

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

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

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

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

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