Ультразвук. Джерела ультразвуку

Що таке ультразвук?
Ультразвук – звукові хвилі, що мають частоту вище сприймаються людським вухом, зазвичай,
під ультразвуком розуміють частоти вище 20 000 герц.
Хоча про існування ультразвука відомо давно, його практичне використання досить молодо. У
наш час ультразвук широко застосовується в різних фізичних і технологічних методах. Так, за
швидкістю поширення звуку в середовищі судять про її фізичні характеристики. Вимірювання
швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з досить малими похибками визначати,
наприклад, адіабатичні характеристики бистропротекающих процесів, значення питомої
теплоємності газів, пружні постійні твердих тіл.

3.

Джерела ультразвуку
Частота ультразвукових коливань, які застосовуються в промисловості і біології, лежить в діапазоні від
декількох десятків кГц до одиниць МГц. Високочастотні коливання зазвичай створюють за допомогою
п’єзокерамічних перетворювачів, наприклад, з титаніту барію. У тих випадках, коли основне значення має
потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку
все ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
У природі УЗ зустрічається як в якості компонентів багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу,
в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, в звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. Д.), Так і
серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення
перешкод, орієнтування в просторі і спілкування (кити, дельфіни, кажани, гризуни, долгопяти).
Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачігенератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку – струменя
газу або рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані
коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в
навколишнє середовище акустичні хвилі.

4.

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

5.

Рідинний ультразвуковий
свисток
Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з
електричними джерелами ультразвука рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для
ультразвукової гомогенізації, вони володіють істотною перевагою. Так як ультразвукові хвилі виникають
безпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного
середовища в іншу. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція рідинного ультразвукового свистка, виготовленого
англійськими вченими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років XX століття. У ньому потік рідини під високим
тиском виходить з 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 коливається) такі системи довговічні і недорогі.

6.

Сирена
Сирена – механічний джерело пружних коливань і, в тому числі, ультразвуку. Їх частотний діапазон може
досягати 100 кГц, але відомі сирени, що працюють на частоті до 600 кГц. Потужність сирен доходить до
десятків кВт.Повітряні динамічні сирени застосовуються для сигналізації і технологічних цілей (коагуляція
дрібнодисперсних аерозолів (осадження туманів), руйнування піни, прискорення процесів масо-і теплообміну
і т. Д.).Всі ротаційні сирени складаються з камери, закритою зверху диском (статором), в якому зроблено
велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на що обертається усередині камери диску – роторі. При
обертанні ротора положення отворів в ньому періодично збігається з положенням отворів на статорі. У
камеру безперервно подається стиснене повітря, що виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі
і статорі співпадають.Частота звуку в сиренах залежать від кількості отворів і їх геометричної форми, і
швидкості обертання ротора.

7.

Ультразвук в природі
Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом (Кожанова – Vespertilionidae) або мають форму
параболічного дзеркала носовою отвором (підковоніс – Rhinolophidae) сигнали надзвичайно високої інтенсивності. На відстані 1 – 5 см від голови
тварини тиск ультразвуку досягає 60 мбар, тобто відповідає в чутної нами частотній області тиску звуку, створюваного відбійним молотком. Відлуння
своїх сигналів кажани здатні сприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж у випускаються сигналів. При цьому кажани
можуть обходити при польоті перешкоди навіть у тому випадку, коли на ехолокаційні сигнали накладаються ультразвукові перешкоди з тиском 20
мбар. Механізм цієї високої завадостійкості 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 зрушення в часі і різниця в інтенсивності між
випускаються і відбитим сигналами. Підковоноси можуть орієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноаурально), що істотно полегшується
великими безперервно рухаються вушними раковинами. Вони здатні компенсувати навіть частотний зсув між випускаються і відбитими сигналами,
обумовлений ефектом Доплера (при наближенні до предмета луна є більш високочастотним, ніж посилається сигнал). Знижуючи під час польоту
ехолокаційному частоту таким чином, щоб частота відбитого ультразвуку залишалася в області максимальної чутливості їх «слухових» центрів, вони
можуть визначити швидкість власного переміщення.
У нічних метеликів з сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, «збиває зі сліду» кажанів, які переслідують цих комах.
Ехолокацію використовують для навігації і птиці – жирні дрімлюги, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки – від Панами на
північно-заході до Перу на півдні і Сурінаму на сході. Живучи в непроглядній пітьмі, жирні дрімлюги, проте, пристосувалися віртуозно літати по
печерах. Вони видають неголосні клацають звуки, які сприймаються і людським вухом (їх частота приблизно 7 000 герц). Кожне клацання триває однудві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стін підземелля, різних виступів і перешкод і сприймається чуйним слухом птиці.
Ультразвуковий ехолокацією в воді користуються китоподібні.

Ультразвук – це що? Ультразвук у медицині. Лікування ультразвуком

Незважаючи на те що дослідження ультразвукових хвиль почалися більше ста років тому, тільки останні півстоліття вони стали широко використовуватися в різних областях людської діяльності. Це пов ‘язано з активним розвитком як квантового і нелінійного розділів акустики, так і квантової електроніки та фізики твердого тіла. Сьогодні ультразвук – це не просто позначення високочастотної області акустичних хвиль, а цілий науковий напрямок у сучасній фізиці та біології, з яким пов ‘язані промислові, інформаційні та вимірювальні технології, а також діагностичні, хірургічні та лікувальні методи сучасної медицини.

• Що це?
• Трохи історії
• Особливості
• Види
• Де застосовується?
• Використання в медицині
• Діагностика
• Ультразвукова локація
• Просвічування
• Допплер-метод
• Області застосування діагностики
• Використання терапії
• Ультразвукова хірургія

Що це?

Всі звукові хвилі можна підрозділити на чутні людиною – це частоти від 16 до 18 тис. Гц, і ті, які знаходяться поза діапазоном людського сприйняття – інфра- і ультразвук. Під інфразвуком розуміються хвилі аналогічні звуковим, але з частотами, що нижче сприймаються людським вухом. Верхньою межею інфразвукової області вважається 16 Гц, а нижньою – 0,001 Гц.

Ультразвук – це теж звукові хвилі, але тільки їх частота вище, ніж може сприйняти слуховий апарат людини. Як правило, під ними розуміють частоти від 20 до 106 кГц. Верхня їх межа залежить від середовища, в яких ці хвилі поширюються. Так, в газовому середовищі межа становить 106 кГц, а в твердих тілах і рідинах вона досягає позначки в 1010 кГц. У шумі дощу, вітру або водоспаду, грозових розрядах і в шуршанні перекочуваної морською хвилею гальки є ультразвукові компоненти. Саме завдяки здатності сприймати і аналізувати хвилі ультразвукового діапазону кити і дельфіни, кажани і нічні комахи орієнтуються в просторі.

Трохи історії

Перші дослідження ультразвуку (УЗ) були проведені ще на початку XIX століття французьким вченим Ф. Саваром (F. Savart), який прагнув з ‘ясувати верхню частотну межу чутності людського слухового апарату. Надалі вивченням ультразвукових хвиль займалися такі відомі вчені, як німець В. Він, англієць Ф. Гальтон, російський П. Лебедєв з групою учнів.

У 1916 році фізик з Франції П. Ланжевен, у співпраці з російським вченим-емігрантом Костянтином Шиловським, зміг використовувати кварц для прийому і випромінювання ультразвуку для морських вимірювань і виявлення підводних об ‘єктів, що дозволило дослідникам створити перший гідролокатор, що складався з випромінювача і приймача ультразвуку. У 1925 році американець В. Пірс створив прилад, званий сьогодні інтерферометром Пірса, що вимірює з великою точністю швидкості і поглинання ультразвуку в рідких і газових середовищах. У 1928 році радянський вчений С. Соколов першим почав використовувати ультразвукові хвилі для виявлення різних дефектів у твердих, у тому числі і металевих, тілах.

У повоєнні 50-60-ті роки, на основі теоретичних розробок колективу радянських вчених, очолюваних Л. Д. Розенбергом, починається широке застосування УЗ у різних промислових і технологічних областях. У цей же час, завдяки роботам англійських і американських вчених, а також дослідженням радянських дослідників, таких як Р. В. Хохлова, В. А. Красильникова і багатьох інших, швидко розвивається така наукова дисципліна, як нелінійна акустика.

Приблизно тоді ж робляться перші спроби американців використовувати ультразвук в медицині.

Радянський вчений Соколов ще наприкінці сорокових років минулого століття розробив теоретичний опис приладу, призначеного для візуалізації непрозорих об ‘єктів – “ультразвукового” мікроскопа. Ґрунтуючись на цих роботах, в середині 70-х років фахівці зі Стенфордського університету створили прототип скануючого акустичного мікроскопа.

Особливості

Маючи спільну природу, хвилі чутного діапазону, так само як і ультразвукові, підкоряються фізичним законам. Але в ультразвуку є ряд особливостей, що дозволяють широко його використовувати в різних галузях науки, медицини і техніки:

1. Мала довжина хвилі. Для найбільш низького ультразвукового діапазону вона не перевищує декількох сантиметрів, обумовлюючи променевий характер поширення сигналу. При цьому хвиля фокусується і поширюється лінійними пучками.

2. Незначний період коливань, завдяки чому ультразвук можна випромінювати імпульсно.

3. У різних середовищах ультразвукові коливання з довжиною хвилі, що не перевищує 10 мм, мають властивості, аналогічні світловим променям, що дозволяє фокусувати коливання, формувати спрямоване випромінювання, тобто не тільки посилати в потрібному напрямку енергію, але і зосереджувати її в необхідному обсязі.

4. При малій амплітуді існує можливість отримання високих значень енергії коливань, що дозволяє створювати високоенергетичні ультразвукові поля і пучки без використання великогабаритної апаратури.

5. Під впливом ультразвуку на середовище виникає безліч специфічних фізичних, біологічних, хімічних і медичних ефектів, таких як:

• диспергування;
• кавітація;
• дегазація;
• локальний нагрів;
• дезінфекція та мн. ін.

Види

Всі ультразвукові частоти підрозділюються на три види:

• УНЧ – низькі, з діапазоном від 20 до 100 кГц;
• УСЧ – середньочастотні – від 0,1 до 10 МГц;
• УЗВЧ – високочастотні – від 10 до 1000 МГц.

Сьогодні практичне використання ультразвуку – це насамперед застосування хвиль малої інтенсивності для вимірювань, контролю і досліджень внутрішньої структури різних матеріалів і виробів. Високочастотні використовуються для активного впливу на різні речовини, що дозволяє змінювати їх властивості і структуру. Діагностика та лікування ультразвуком багатьох захворювань (за допомогою різних частот) є окремим напрямком сучасної медицини, що активно розвивається.

Де застосовується?

В останні десятиліття ультразвуком цікавляться не тільки наукові теоретики, а й практики, що все більш активно впроваджують його в різні види людської діяльності. Сьогодні ультразвукові установки використовуються для:

Отримання інформації про речовини та матеріали