Ультразвук

Зміст

Джерела ультразвуку

Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз та дзеркал. Ультразвуковий пучок із необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, в звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку — струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворюють вже задані коливання електричної напруги або струму на механічне коливання твердого тіла, яке випромінює в довкілля акустичні хвилі.

Свисток Гальтона

Перший ультразвуковий свисток зробив 1883 року англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно до звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря у свистку Гальтона грає «губа» у маленькійциліндричної резонансної порожнини. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю «губу»; виникають коливання, частота яких (вона становить близько 170 кГц) визначається розмірами сопла та губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак та кішок.

Рідкісний ультразвуковий свисток

Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвуку рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони мають істотну перевагу. Так як ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища до іншого. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція ультразвукового свистка рідини, виготовленого англійськими вченими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років 20 століття. У ньому потік рідини під високим тиском виходить із еліптичного сопла і прямує на сталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкого поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки пластинка, що коливається) такі системи довговічні і недорогі.

Інший різновид механічних джерел ультразвуку - сирена. Вона має відносно велику потужність і застосовується в поліцейських і пожежних машинах. Усі ротаційні сирени складаються з камери, закритої зверху диском (статором), у якому зроблено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску, що обертається всередині камери - роторі. При обертанні ротора положення отворів у ньому періодично збігається з положеннямотворів на статорі. У камеру безперервно подається стиснене повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі та статорі збігаються.

Основне завдання при виготовленні сирен - це, по-перше, зробити якнайбільше отворів у роторі і, по-друге, досягти великої швидкості його обертання. Однак практично виконати ці вимоги дуже важко.

Ультразвук у природі

Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом (шкіряні - Vespertilionidae) або носовим отвором (підковоносі - Rhinolophidae), що мають форму параболічного дзеркала, сигнали надзвичайно високої інтенсивності. На відстані 1 - 5 см від голови тваринного тиск ультразвуку досягає 60 мбар, тобто відповідає в частотній області, що чується нами, тиску звуку, створюваного відбійним молотком. Відлуння своїх сигналів кажани здатні сприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж у сигналів, що випускаються. При цьому кажани можуть обходити при польоті перешкоди навіть у тому випадку, коли на сигнали ехолокації накладаються ультразвукові перешкоди з тиском 20 мбар. Механізм цієї високої стійкості до перешкод ще невідомий. При локалізації кажанами предметів, наприклад, вертикально натягнутих ниток з діаметром всього 0,005 - 0,008 мм на відстані 20см (половина розмаху крил), вирішальну роль відіграють зсув у часі і різниця в інтенсивності між сигналом, що випускається і відбитим. Підковоноси можуть орієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноурально), що істотно полегшується великими вушними раковинами, що безперервно рухаються. Вони здатні компенсувати навіть частотний зсув між сигналами, що випускаються і відбитими, обумовлений ефектом Доплера (при наближеннідо предмета луна є більш високочастотним, ніж сигнал, що посилається). Знижуючи під час польоту ехолокаційну частоту в такий спосіб, щоб частота відбитого ультразвуку залишалася у сфері максимальної чутливості їх «слухових» центрів, можуть визначити швидкість власного переміщення.

У нічних метеликів із сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, що «збиває зі сліду» кажанів, які переслідують цих комах.

Ехолокацію використовують для навігації та птиці - жирні козої, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки - від Панами на північному заході до Перу на півдні та Суринаму на сході. Живучи в непроглядній темряві, жирні козоїди, проте, пристосувалися віртуозно літати печерами. Вони видають тихі клацаючі звуки, що сприймаються і людським вухом (їх частота приблизно 7 000 Герц). Кожне клацання триває одну-дві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стін підземелля, різних виступів та перешкод і сприймається чуйним слухом птаха.

Ультразвуковою ехолокацією у воді користуються китоподібні.

Застосування ультразвуку

Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)

Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості порівняно з рентгенівськими променями та простотою використання у порівнянні з магнітно-резонансною томографією ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевній порожнині та порожнині тазу.

Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині

Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. ультразвукове дослідження), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.

Ультразвук має дію:

протизапальним, розсмоктуючим
аналгетичним, спазмолітичним
кавітаційним посиленням проникності шкіри

Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканині діють ультразвуком і лікувальними речовинами, що вводяться з його допомогою (як медикаментами, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу та шкірних залоз, клітинних мембран та стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо іонів мінералів бішофіту. Зручність ультрафонофорезу медикаментів та природних речовин:

лікувальна речовина при введенні ультразвуком не руйнується
синергізм дії ультразвуку та лікувальної речовини

Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, шпора п'яти, стани після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.

Наноситься бішофіт-гель та робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофорезу (при УФФ суглобів, хребта інтенсивність у ділянці шийного відділу - 0,2-0,4 Вт/см2., в ділянці грудного та поперекового відділу - 0,4-0,6 Вт/см2).

Різання металу за допомогою ультразвуку

На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад, у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото повністю замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше за фрезерний верстат і обробляти ним металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом.

Ультразвукомможна навіть робити гвинтову нарізку в металевих деталях, склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім деталь вже піддають гартуванню. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі та у найтвердіших сплавах. Те саме і зі штампами. Зазвичай штамп гартують вже після його ретельного оздоблення. На ультразвуковому верстаті найскладнішу обробку виготовляє абразив (наждак, корундовий порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно вагаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблений сплав і вирізають отвір такої ж форми, як і в долота.

Приготування сумішей за допомогою ультразвуку

Широко застосовується ультразвук для виготовлення однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві рідини, що не змішуються (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна зависла олії у воді. Подібні емульсії грають велику роль промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.

Застосування ультразвуку у біології

Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування у біологічних дослідженнях, наприклад, за необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії та хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їхньою структурою та функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може зашкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій відіграє велику роль у селекціїрослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.

Застосування ультразвуку для очищення

У лабораторіях та на виробництві застосовуються ультразвукові ванни для очищення лабораторного посуду та деталей від дрібних частинок. В ювелірній промисловості ювелірні вироби очищають від дрібних частинок полірувальної пасти в ультразвукових ваннах. У дев'яності роки XX століття на Томському заводі НВО «РЕТОН» було отримано патент на винахід і випущено ультразвуковий пральний пристрій «Ретону», в основі дії якого лежить ультразвук низької частоти. Пізніше з'явилося багато ультразвукових пристроїв для прання текстильних виробів. Спільним їм є принцип дії: пружні хвилі ультразвуку діють забруднення, «вибиваючи» бруд з допомогою поверхнево-активних речовин із волокон тканини.

Застосування ультразвуку для очищення коренеплодів

У деяких виробництвах застосовують ультразвукові ванни для очищення коренеплодів (картоплі, моркви, буряків та ін.) від часток землі.

Застосування ультразвуку в ехолокації

У рибній промисловості застосовують ультразвукову ехолокацію виявлення косяків риб. Ультразвукові хвилі відбиваються від одвірків риб і приходять у приймач ультразвуку раніше, ніж ультразвукова хвиля, що відбилася від дна.

У автомобілях застосовуються ультразвукові парктроніки.

Застосування ультразвуку у витратометрії

Для контролю витрати та обліку води та теплоносія з 60-х років минулого століття в промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.

Застосування ультразвуку в дефектоскопії

Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його дляультразвукової дефектоскопії виробів із цих матеріалів. Останнім часом розвивається напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.

Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, що здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрів яких утруднений, або при з'єднанні різнорідних металів або металів з міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі сталі, магнітопроводи з пермалою тощо). Так ультразвукове зварювання застосовується під час виробництва інтегральних мікросхем.

Застосування ультразвуку в гальванотехніці

Ультразвук застосовують для інтенсифікації гальванічних процесів та покращення якості покриттів, одержуваних електрохімічним способом.