Какво представлява ултразвукът? Прилагане на ултразвук в инженерството и медицината

21-ви век е ерата на радио-електрониката, атомът, завладяването на пространството и ултразвукът. Науката за ултразвука днес е относително млада. В края на XIX в. PN Lebedev, руски физиолог, провежда първите си изследвания. След това много изтъкнати учени започнаха да учат ултразвук.

Какво представлява ултразвукът?

Ултразвукът е вълнообразно вибрационно движение, което се извършва чрез частици от средата. Той има свои собствени характеристики, които се различават от звуците на звуковия диапазон. Сравнително лесно е да се получи насочена радиация в ултразвуковия диапазон. В допълнение, тя е добре фокусирана и в резултат на това интензивността на трептенията се увеличава. Когато се размножава в твърди вещества, течности и газове, ултразвукът произвежда интересни явления, които са намерили практическо приложение в много области на инженерството и науката. Това е, което е ултразвукът, чиято роля днес е много голяма в различните сфери на живота.

Ролята на ултразвука в науката и практиката

Ултразвукът през последните години е започнал да играе все по-важна роля в научните изследвания. Експериментално и теоретични изследвания в областта на акустичните токове и ултразвуковата кавитация бяха успешно проведени, което позволи на учените да разработят технологични процеси, които се появяват при излагане на ултразвук в течната фаза. Това е мощен метод за изследване на различни явления в такова поле на познание като физиката. Ултразвукът се използва например във физиката на полупроводниците и твърдите тела. Днес се формира отделен клон на химията, наречен "ултразвукова химия". Неговото приложение ни позволява да ускорим много химико-технологични процеси. Молекулярна акустика, нова част от акустиката, също се появява, която проучва молекулярното взаимодействие с материята звукови вълни. Появиха се нови области на приложение на ултразвук: холография, интроскопия, акустоелектроника, ултразвукова фазамерия, квантова акустика.

В допълнение към експерименталната и теоретична работа в тази област, много практични са били извършени и днес. И разработен специално предназначение ултразвукови машини, инсталации, които работят при високо статично налягане и др., Въведени в производството на ултразвукови автоматични настройки, включени в производствени линии, които могат значително да увеличат производителността.

Повече за ултразвука

Нека поговорим по-подробно за това какво е ултразвукът. Вече казахме, че това са еластични вълни и колебания. честота ултразвук е повече от 15-20 kHz. Субективните свойства на слуха ни определят долната граница на ултразвуковите честоти, което го отделя от честотата на звуковия звук. Тази граница, следователно, е условна и всеки от нас определя по различен начин какво е ултразвукът. Горната граница се обозначава с еластични вълни, тяхната физическа природа. Те се разпространяват само в материална среда, т.е. дължината на вълната трябва да бъде значително по-голяма от средната свободна пътека на молекулите, съществуващи в газа или междуатомичните разстояния в твърдите вещества и течностите. При нормално налягане в газовете горната граница на честотите UZ-10⁹ Hz и твърди вещества и течности - 10¹²-10¹³ Hz.

Източници на ултразвук

Блокада намерени в естествено състояние и като компоненти на естествения шум (водопад, вятър, дъжд и камъчета, сърф ролки, както и придружаващите ги звуци и зауствания Chance т. Г.) и като неразделна част от животинския свят. Те използват някои видове животни за ориентация в космоса, откриване на препятствия. Известно е също, че в природата ултразвуците използват делфини (предимно честоти от 80 до 100 kHz). Много голям в този случай може да бъде силата на излъчените сигнали за местоположение. Известно е, че делфините са в състояние да открият плитки риби, разположени на разстояние един километър от тях.

Радиаторите (източници) на ултразвук са разделени на две големи групи. Първият е генераторите, в които трептенията се възбуждат поради наличието на препятствия в тях, установени по пътя на постоянен поток - струя течност или газ. Втората група, която може да се комбинира източници на ултразвук, - електроакустични преобразуватели, които превръщат предварително определен ток или напрежение колебание в механично трептене извършени твърдо тяло излъчва акустични вълни в околната среда.

Ултразвукови приемници

На средно и високо ниски честоти ултразвукови приемници са най-често пиезоелектрически тип електроакустични преобразуватели. Те могат да възпроизведат формата на получения акустичен сигнал, представен като времева зависимост на звуковото налягане. Устройствата могат да бъдат или широколентови или резонансни, в зависимост от условията, за които са предназначени. Използват се термични приемници, за да се получат средни стойности на звуковото поле в течение на времето. Те са термистори или термодвойки, покрити със звукопоглъщащ материал. Акустичното налягане и интензитет могат да бъдат оценени и чрез оптични методи, като дифракция на светлината чрез ултразвук.

Къде се използва ултразвук?

Има много области на приложение, като се използват различни характеристики на ултразвук. Тези сфери могат да бъдат разделени условно в три посоки. Първият от тях е свързан с получаването на информация чрез ултразвукови вълни. Второто направление е активното му въздействие върху веществото. А третият е свързан с предаването и обработката на сигнали. Ултразвукът честотен диапазон се използва във всеки конкретен случай. Ще говорим само за някои от многото области, в които е намерило своето приложение.

Почистване с ултразвук

Качеството на такова почистване не може да бъде сравнено с други методи. Когато се изплакват предметите, например, върху повърхността им се задържа до 80% от замърсителите, около 55% - когато вибрационно почистване, около 20% - в ръчен и с ултразвук не е повече от 0,5% примеси. Частите, които имат сложна форма, могат да се почистват добре само с ултразвук. Важно предимство на използването му е високата производителност, както и ниските разходи за ръчен труд. Освен това е възможно да се заменят скъпите и запалими органични разтворители с евтини и безопасни водни разтвори, да се използва течен фреон и т.н.

Сериозен проблем - замърсяването на въздуха саждите, дим, прах, метални оксиди и т.н., може да се използва метод за ултразвуково почистване на въздух и газ на отдушника независимо от влажността и температурата ... Ако ултразвуковият радиатор е поставен в прахообразна камера, ефективността на действието му ще се увеличи стотици пъти. Каква е същността на такова почистване? Дезинтегратори на прах, които се движат във въздуха по-силно и по-често се удрят взаимно под въздействието на ултразвукови вибрации. В този случай размерът им се увеличава поради факта, че те се сливат. Коагулацията е процесът на корозия на частиците. Специалните филтри улавяха претеглените и разшириха клъстерите си.

Механична обработка на чупливи и сурови материали

Ако поставите между обработвания детайл и работната повърхност на инструмент, използвайки ултразвук, абразивен материал, частиците на абразива ще работят на повърхността на тази част, когато емитерът работи. Същевременно материалът се разрушава и отстранява, подлежащ на преработка под действието на много насочени микро въздействия. Кинематиката на обработката се състои от основното движение - рязане, т.е. надлъжните вибрации, направени от инструмента, и спомагателното движение - движенията на подаване, които апаратът извършва.

Ултразвукът може да направи разнообразна работа. За абразивните зърна източникът на енергия е надлъжни колебания. Те също така унищожават обработвания материал. Подаването на движението (спомагателно) може да бъде кръгло, напречно и надлъжно. Обработката с ултразвук има по-голяма точност. В зависимост от зърнестата способност на абразивния материал той е 50 до 1 микрон. Използвайки инструменти от различни форми, можете да направите не само дупки, но и комплексни изрези, извити оси, гравиране, смилане, производство на матрици и дори пробиване на диамант. Използват се като абразивни материали - корунд, диамант, кварцов пясък, кремък.

Ултразвук в радиоелектрониката

Ултразвуковото инженерство често се използва в областта на радиоелектрониката. В тази област често има нужда от забавяне на електрическия сигнал по отношение на някои други. Учените са намерили успешно решение, което предполага използването на ултразвукови закъснителни линии (съкратено - LZ). Тяхното действие се основава на факта, че електрическите импулси се превръщат в ултразвук механични вибрации. Как се случва това? Факт е, че скоростта на ултразвук е много по-малка от тази, която се развива електромагнитни колебания. Пулсът на напрежението след обратното преобразуване в електрически механични колебания ще се забави на изходната линия спрямо входния импулс.

Пиезоелектрични и магнитострикционни преобразуватели се използват за преобразуване на електрически колебания в механични и обратното. LZ, съответно, са разделени на пиезоелектрични и магнитостриктивни.

Ултразвук в медицината

Различни видове ултразвук се използват за засягане на живите организми. В медицинската практика използването му вече е много популярно. Тя се основава на ефектите, които възникват в биологичните тъкани, когато ултразвукът преминава през тях. Вълните причиняват вибрации на частиците на средата, което създава вид микромасаж на тъканите. Абсорбцията на ултразвук води до локално нагряване. В същото време се извършват определени физико-химични трансформации в биологични среди. Тези явления в случай на умерен звуков интензитет на необратими щети не причиняват. Те само подобряват метаболизма и по този начин допринасят за жизнената дейност на засегнатия от него организъм. Такива явления се използват при ултразвукова терапия.

Ултразвук в хирургията

Кавитацията и силното нагряване при високи интензитети водят до разрушаване на тъканите. Този ефект се използва днес в операцията. Фокалният ултразвук се използва за хирургични операции, които позволяват локално унищожаване в най-дълбоките структури (например мозъка), без да се увреждат околните. При хирургията се използват и ултразвукови инструменти, при които работният край има формата на трион, скалпел, игла. Ударенията, наложени върху тях, дават нови качества на тези устройства. Необходимото усилие е значително намалено, следователно травмата на операцията намалява. Освен това има анестетик и хемостатичен ефект. Ефектът на тъп инструмент с помощта на ултразвук се използва за унищожаване на появата на някои видове неоплазми в тялото.

Въздействието върху биологичните тъкани се извършва за унищожаване на микроорганизми и се използва при стерилизирането на лекарства и медицински инструменти.

Изследване на вътрешните органи

Всъщност става дума за изследване на коремната кухина. За тази цел се използва специален апарат. Ултразвукът може да се използва за откриване и разпознаване на различни аномалии на тъкани и анатомични структури. Задачата често е тази: има подозрение за наличие на злокачествено образование и се изисква да се разграничи от формирането на доброкачествено или инфекциозно.

Блокада е полезно за изследване на черния дроб и за други задачи, които включват откриване на запушване и жлъчни заболявания, както и разглеждането на жлъчния мехур за откриване на наличието в него на камъни и други патологии. В допълнение, може да се използва проучване на цироза и други дифузни доброкачествени чернодробни заболявания.

В областта на гинекологията, главно при анализа на яйчниците и матката, използването на ултразвук е дълго време основната посока, в която се извършва особено успешно. Често има и необходимост от диференциация на доброкачествени и злокачествени образувания, които обикновено изискват най-добър контраст и пространствена разделителна способност. Такива заключения могат да бъдат полезни при изучаването на много други вътрешни органи.

Прилагане на ултразвук в стоматологията

Ултразвукът намери своето приложение и в стоматологията, където се използва за отстраняване на зъбен камък. Тя ви позволява бързо, безкръвно и безболезнено да премахнете плаката и камъка. В този случай, лигавицата на устната кухина не е ранена и "джобовете" на кухината са дезинфекцирани. Вместо болка, пациентът изпитва усещане за топлина.