21-ви век е векът на радиоелектрониката, атома, изследването на космоса и ултразвука. Науката за ултразвука днес е сравнително млада. В края на 19 век руският физиолог П. Н. Лебедев провежда първите си изследвания. След това много изтъкнати учени започнаха да изучават ултразвука.
Какво е ултразвук?
Ултразвукът е разпространяващо се вълнообразно осцилаторно движение, което правят частиците на средата. Той има свои собствени характеристики, по които се различава от звуците на звуковия диапазон. Сравнително лесно е да се получи насочено излъчване в ултразвуковия диапазон. Освен това фокусира добре и в резултат на това се увеличава интензивността на направените трептения. Когато се разпространява в твърди тела, течности и газове, ултразвукът поражда интересни явления, които са намерили практическо приложение в много области на технологиите и науката. Ето какво представлява ултразвукът, чиято роля в различни сфери на живота днес е много голяма.
Ролята на ултразвука в науката и практиката
Ултразвукът през последните години започна да играе в научните изследваниявсе по-важна роля. Успешно бяха проведени експериментални и теоретични изследвания в областта на акустичните потоци и ултразвуковата кавитация, което позволи на учените да разработят технологични процеси, които възникват при излагане на ултразвук в течна фаза. Това е мощен метод за изучаване на различни явления в такава област на знанието като физиката. Ултразвукът се използва например във физиката на полупроводниците и твърдото тяло. Днес се формира отделен клон на химията, наречен "ултразвукова химия". Приложението му позволява ускоряване на много химико-технологични процеси. Роди се и молекулярната акустика – нов клон на акустиката, който изучава молекулярното взаимодействие на звуковите вълни с материята. Появиха се нови области на приложение на ултразвука: холография, интроскопия, акустоелектроника, ултразвуково фазово измерване, квантова акустика.
В допълнение към експерименталната и теоретичната работа в тази област днес е извършена много практическа работа. Разработени са специални и универсални ултразвукови машини, инсталации, които работят при повишено статично налягане и др. Въведени са в производството автоматични ултразвукови инсталации, включени в производствените линии, които могат значително да повишат производителността на труда.
Още за ултразвука
Нека поговорим повече за това какво е ултразвук. Вече казахме, че това са еластични вълни и трептения. Честотата на ултразвука е повече от 15-20 kHz. Субективните свойства на нашия слух определят долната граница на ултразвуковите честоти, коятого отделя от честотата на звуковия звук. Следователно тази граница е условна и всеки от нас по различен начин определя какво е ултразвук. Горната граница се обозначава с еластични вълни, тяхната физическа природа. Те се разпространяват само в материална среда, тоест дължината на вълната трябва да бъде значително по-голяма от средния свободен път на молекулите, присъстващи в газа, или междуатомните разстояния в твърди вещества и течности. При нормално налягане в газове горната граница на ултразвуковите честоти е 109 Hz, а в твърди вещества и течности - 1012-10 13 Hz.
Ултразвукови източници
Ултразвукът се среща в природата както като компонент на много естествени шумове (водопад, вятър, дъжд, камъчета, търкаляни от прибоя, както и в звуците, придружаващи гръмотевични бури и др.), така и като неразделна част от животинския свят. Някои видове животни го използват за ориентация в пространството, откриване на препятствия. Известно е също, че делфините използват ултразвук в природата (предимно честоти от 80 до 100 kHz). В този случай мощността на сигналите за местоположение, излъчвани от тях, може да бъде много голяма. Известно е, че делфините могат да откриват стаи риба на разстояние до километър.
Излъчвателите (източниците) на ултразвук са разделени на 2 големи групи. Първият е генератор, в който се възбуждат трептения поради наличието на препятствия в тях, инсталирани по пътя на постоянен поток - струя течност или газ. Втората група, в която могат да се обединят ултразвуковите източници, еелектроакустични преобразуватели, които преобразуват дадени флуктуации в тока или електрическото напрежение в механична вибрация, създадена от твърдо тяло, което излъчва акустични вълни в околната среда.
Ултразвукови приемници
При средни и ниски честоти ултразвуковите приемници са най-често пиезоелектрични електроакустични преобразуватели. Те могат да възпроизвеждат формата на получения акустичен сигнал, представен като времева зависимост на звуковото налягане. Устройствата могат да бъдат широколентови или резонансни, в зависимост от условията на приложение, за които са предназначени. Термичните приемници се използват за получаване на усреднени по време характеристики на звуковото поле. Те са термистори или термодвойки, покрити със звукопоглъщащо вещество. Звуковото налягане и интензитет могат също да бъдат оценени чрез оптични методи, като дифракция на светлината от ултразвук.
Къде се използва ултразвук?
Има много области на неговото приложение, като същевременно се използват различни характеристики на ултразвука. Тези области могат да бъдат разделени грубо на три области. Първият от тях е свързан с получаване на разнообразна информация с помощта на ултразвукови вълни. Втората посока е активното му влияние върху веществото. И третото е свързано с предаването и обработката на сигнали. Във всеки случай се използва US с определен честотен диапазон. Ще покрием само някои от многото области, в които е намерил своя път.
Ултразвуково почистване
Качеството на това почистване не може да се сравни с други методи. При изплакване на части, например, на повърхността им остават до 80% от замърсителите, около 55% - при вибрационно почистване, около 20% - при ръчно почистване, а при ултразвуково почистване остават не повече от 0,5% замърсители. Детайли, които имат сложна форма, могат да бъдат почистени добре само с помощта на ултразвук. Важно предимство на използването му е високата производителност, както и ниските разходи за физически труд. Освен това можете да замените скъпите и запалими органични разтворители с евтини и безопасни водни разтвори, да използвате течен фреон и др.
Сериозен проблем е замърсяването на въздуха със сажди, дим, прах, метални оксиди и др. Можете да използвате ултразвуковия метод за почистване на въздуха и газа в изходите за газ, независимо от влажността и температурата на околната среда. Ако ултразвуков емитер се постави в камера за утаяване на прах, ефективността му ще се увеличи стотици пъти. Каква е същността на такова пречистване? Праховите частици, движещи се произволно във въздуха, се удрят по-силно и по-често под въздействието на ултразвукови вибрации. В същото време размерът им се увеличава поради факта, че се сливат. Коагулацията е процес на уголемяване на частиците. Специални филтри улавят техните претеглени и увеличени клъстери.
Механична обработка на крехки и супер твърди материали
Ако влезете между детайла и работната повърхност на инструмента с помощта на ултразвук, абразивен материал, тогава абразивните частици по време на работаизлъчвателят ще засегне повърхността на тази част. В този случай материалът се разрушава и отстранява, подлага се на обработка под действието на различни насочени микровъздействия. Кинематиката на обработката се състои от основното движение - рязане, тоест надлъжните вибрации, направени от инструмента, и спомагателното - движението на подаване, което машината извършва.
Ултразвукът може да върши различни задачи. За абразивните зърна източникът на енергия са надлъжните вибрации. Те унищожават обработения материал. Движението на подаването (спомагателно) може да бъде кръгово, напречно и надлъжно. Ултразвуковата обработка е по-прецизна. В зависимост от размера на зърното на абразива, той варира от 50 до 1 микрон. Използвайки инструменти с различни форми, можете да правите не само дупки, но и сложни разфасовки, извити оси, да гравирате, шлифовате, да правите матрици и дори да пробивате диамант. Материали, използвани като абразив - корунд, диамант, кварцов пясък, кремък.
Ултразвук в радиоелектрониката
Ултразвукът в технологиите често се използва в областта на радиоелектрониката. В тази област често се налага да се забави електрически сигнал спрямо някой друг. Учените са намерили добро решение, като предлагат използването на ултразвукови линии за забавяне (накратко LZ). Тяхното действие се основава на факта, че електрическите импулси се преобразуват в ултразвукови механични вибрации. Как се случва? Факт е, че скоростта на ултразвука е значително по-малка от тази, развивана от електромагнитни трептения. Пулснапрежението след обратното преобразуване в електрически механични вибрации ще бъде забавено на изхода на линията спрямо входния импулс.
Пиезоелектричните и магнитострикционните преобразуватели се използват за преобразуване на електрическите вибрации в механични и обратно. LZ, съответно, се делят на пиезоелектрични и магнитострикционни.
Ултразвук в медицината
Различни видове ултразвук се използват за въздействие върху живите организми. В медицинската практика използването му сега е много популярно. Тя се основава на ефектите, които възникват в биологичните тъкани, когато ултразвукът преминава през тях. Вълните предизвикват флуктуации в частиците на средата, което създава един вид тъканен микромасаж. А усвояването на ултразвука води до локалното им нагряване. В същото време в биологичните среди настъпват определени физикохимични трансформации. Тези явления не причиняват необратими щети в случай на умерена интензивност на звука. Те само подобряват метаболизма и следователно допринасят за жизнената дейност на тялото, изложено на тях. Такива явления се използват в ултразвуковата терапия.
Ултразвук в хирургията
Кавитацията и силното нагряване при висока интензивност водят до разрушаване на тъканите. Този ефект се използва днес в хирургията. При хирургични операции се използва фокусиран ултразвук, който позволява локално разрушаване в най-дълбоките структури (например мозъка), без да се увреждат околните. Ултразвукът се използва и в хирургиятаинструменти, при които работният край изглежда като пила, скалпел, игла. Наложените им вибрации придават нови качества на тези инструменти. Необходимата сила е значително намалена, следователно, травматичността на операцията е намалена. Освен това се проявява аналгетичен и хемостатичен ефект. Ударът с тъп инструмент с помощта на ултразвук се използва за унищожаване на определени видове неоплазми, които са се появили в тялото.
Въздействието върху биологичните тъкани се извършва за унищожаване на микроорганизми и се използва в процесите на стерилизация на лекарства и медицински инструменти.
Изследване на вътрешните органи
Говорим основно за изследване на коремната кухина. За тази цел се използва специален апарат. Ултразвукът може да се използва за намиране и разпознаване на различни тъканни и анатомични аномалии. Предизвикателството често е следното: подозира се злокачествено заболяване и трябва да се разграничи от доброкачествена или инфекциозна лезия.
Ултразвукът е полезен при изследване на черния дроб и за други задачи, които включват откриване на запушвания и заболявания на жлъчните пътища, както и изследване на жлъчния мехур за откриване на наличие на камъни и други патологии в него. Освен това може да се използва изследване за цироза и други дифузни доброкачествени чернодробни заболявания.
В областта на гинекологията, главно при анализа на яйчниците и матката, използването на ултразвук е дълго времеосновната посока, в която се осъществява особено успешно. Често тук е необходима и диференциация на доброкачествени и злокачествени образувания, което обикновено изисква най-добър контраст и пространствена разделителна способност. Подобни заключения могат да бъдат полезни при изследването на много други вътрешни органи.
Използването на ултразвук в стоматологията
Ултразвукът е намерил своя път и в стоматологията, където се използва за премахване на зъбен камък. Позволява бързо, безкръвно и безболезнено отстраняване на плака и камъни. В същото време устната лигавица не се наранява, а "джобовете" на кухината се дезинфекцират. Вместо болка, пациентът изпитва усещане за топлина.
