Što je ultrazvuk? Primjena ultrazvuka u inženjerstvu i medicini

21. stoljeće je doba radio-elektronike, atoma, osvajanja prostora i ultrazvuka. Znanost ultrazvuka danas je relativno mlada. Krajem 19. stoljeća PN Lebedev, ruski fiziolog, proveo je svoje prve studije. Nakon toga, mnogi izvrsni znanstvenici počeli su proučavati ultrazvuk.

Što je ultrazvuk?

Ultrazvuk je propagirajući valni vibracijski pokret, koji se izvodi pomoću čestica medija. Ima svoje osobine, što se razlikuje od zvuka zvučnog raspona. Relativno je lako dobiti usmjereno zračenje u ultrazvučnom području. Osim toga, dobro je usredotočena, a kao rezultat toga povećava se intenzitet oscilacija. Kada se propagiraju u krutinama, tekućinama i plinovima, ultrazvuk proizvodi zanimljive pojave koje su pronašle praktičnu primjenu u mnogim područjima inženjerstva i znanosti. To je ono što ultrazvuk je, uloga je vrlo velika u raznim sferama života danas.

Uloga ultrazvuka u znanosti i praksi

Ultrazvuk posljednjih godina počeo je igrati sve važniju ulogu u znanstvenom istraživanju. Uspješno su provedena eksperimentalna i teorijska istraživanja u području akustičkih struja i ultrazvučne kavitacije, što je omogućilo znanstvenicima razvijanje tehnoloških procesa koji se javljaju pri izloženosti ultrazvuku u tekućoj fazi. To je snažan način istraživanja različitih fenomena u takvom polju znanja kao i fizike. Ultrazvuk se koristi, na primjer, u fizici poluvodiča i čvrstih tijela. Danas se formira posebna kemijska grana, nazvana "ultrazvučna kemija". Njegova primjena omogućuje nam ubrzanje mnogih kemijsko-tehnoloških procesa. Također se pojavljuje molekularna akustika, novi dio akustike, koji istražuje molekularnu interakciju s tvarima zvučni valovi. Nastala su nova područja primjene ultrazvuka: holografija, introskopija, akustička elektronika, ultrazvučna fasema, kvantna akustika.

Osim eksperimentalnog i teorijskog rada na ovom području, danas se provode mnoge praktične aktivnosti. I razvio strojeva za posebne namjene ultrazvuk, instalacije koje djeluju pod visokim statičkim pritiskom, i drugi. Uvedena u proizvodnju ultrazvučnih automatskim postavkama uključeni u proizvodne linije, koje mogu značajno povećati produktivnost.

Više o ultrazvuku

Razgovarajmo detaljnije o tome što je ultrazvuk. Već smo rekli da su to elastični valovi i fluktuacije. frekvencija ultrazvuk je više od 15-20 kHz. Subjektivna svojstva našeg slušanja određuju donju granicu ultrazvučnih frekvencija, koja ga odvaja od učestalosti zvučnog zvuka. Ta granica stoga je uvjetovana, a svako od nas drugačije definira ultrazvuk. Gornja granica označena je elastičnim valovima, njihovom fizičkom prirodom. Oni se propagiraju samo u materijalnom mediju, tj. Valna duljina mora biti bitno veća od srednjeg slobodnog puta molekula koje postoje u plinu ili na međatomskim udaljenostima u krutinama i tekućinama. Pri normalnom tlaku u plinovima gornja granica frekvencija UZ-10⁹ Hz i krute tvari i tekućine - 10¹²-10¹³ Hz.

Izvori ultrazvuka

Ultrazvuk pronađeno prirodno i kao sastavnica prirodnog buke (vodopada, vjetra, kiše i šljunka, surf peciva, kao i pratećih zvukova i ispuštanja šansa t. D.), a kao sastavni dio životinjskog svijeta. Koriste neke vrste životinja za orijentaciju u prostoru, otkrivanje prepreka. Također je poznato da ultrazvuk u prirodi koristi dupine (uglavnom frekvencije od 80 do 100 kHz). Vrlo velika u ovom slučaju može biti snaga zračenih signala mjesta. Poznato je da dupini mogu otkriti pliće ribe, smještene na udaljenosti od jednog kilometra od njih.

Radiatori (izvori) ultrazvuka podijeljeni su u dvije velike skupine. Prvo - generator u kojem su oscilacije su uzbuđeni zbog prisutnosti tih prepreka, instaliran na način stalnog toka - plin ili tekuće zrakoplova. Druga skupina, u koju se mogu kombinirati ultrazvučni izvori, su elektroakustični pretvornici koji pretvaraju propisane oscilacije strujnog ili električnog napona u mehaničku oscilaciju koju provodi čvrsta masa koja emitira akustične valove u okoliš.

Ultrazvučni prijamnici

Na srednjem i visokom niske frekvencije ultrazvučni prijemnici su najčešće piezoelektrični tip elektroakustičkih pretvornika. Mogu reproducirati oblik primljenog zvučnog signala, prikazan kao vremenska ovisnost zvučnog tlaka. Uređaji mogu biti širokopojasni ili rezonantni, ovisno o uvjetima za koje su namijenjeni. Termalni prijemnici koriste se za dobivanje karakteristika zvučnog polja prosječno tijekom vremena. To su termistori ili termoparovi prekriveni materijalom koji apsorbira zvuk. Tlak i intenzitet zvuka također se mogu procijeniti optičkim metodama, kao što je difrakcija svjetlosti ultrazvukom.

Gdje se koristi ultrazvuk?

Postoje mnoga područja primjene, pri čemu se koriste različite značajke ultrazvuka. Ove sfere mogu se podijeliti uvjetno u tri smjera. Prva od njih je povezana s dobivanjem pomoću ultrazvučnih valova raznih informacija. Drugi smjer je njegov aktivni utjecaj na tvar. A treći je povezan s prijenosom i obradom signala. Ultrazvuk frekvencijski raspon se koristi u svakom pojedinom slučaju. Razgovarat ćemo samo o nekim od mnogih područja u kojima je pronašla njegovu primjenu.

Čišćenje ultrazvukom

Kakvoća takvog čišćenja ne može se usporediti s drugim metodama. Kod ispiranja dijelova, na površini, na primjer, do 80% kontaminacije ostaje na površini, oko 55% - s čišćenjem vibracija, oko 20% - s ručnim, a uz ultrazvuk, ne više od 0,5% onečišćenja. Dijelovi složenoga oblika mogu se dobro očistiti samo ultrazvukom. Važna prednost njegove uporabe je visoka produktivnost, kao i niski troškovi ručnog rada. Štoviše, moguće je zamijeniti skupo i zapaljivo organsko otapalo s jeftinim i sigurnim vodenim otopinama, koristiti tekući freon itd.

Ozbiljan problem - onečišćenja zraka čađe, dima, prašine, metalnih oksida, može se upotrijebiti i sl postupak ultrazvučnog čišćenja zraka i plina otvor neovisno o vlažnosti i temperature ... Ako se ultrazvučni radijator nalazi u komori za prašinu, učinkovitost njenog djelovanja povećat će se stotinama puta. Koja je bit takvog čišćenja? Dezintegratori prašine koji se kreću u zraku snažnije i češće pogoduju jedni drugima pod utjecajem ultrazvučnih vibracija. U tom se slučaju njihova veličina povećava zbog činjenice da se oni spajaju. Koagulacija je proces grubosti čestica. Posebni filteri bilježe ponderirane i povećane svoje klastere.

Mehanička obrada krhkih i superhard materijala

Ako umetnete između radnog dijela i radne površine alata pomoću ultrazvuka, abrazivni materijal, čestice abraziva će raditi na površini ovog dijela kada emiter radi. Istodobno, materijal se uništava i uklanja, podložno obradi pod djelovanjem mnogih usmjerenih mikro-utjecaja. Kinematika obrade sastoji se od glavnog pokreta - rezanja, tj. Uzdužnih vibracija koje je napravio alat i pomoćnog gibanja - pokreta hrane koju aparat izvodi.

Ultrazvuk može raditi različite poslove. Za abrazivne žitarice, izvor energije su longitudinalne oscilacije. Oni također uništavaju materijal koji se obrađuje. Pokretanje hrane (pomoćni) može biti kružno, poprečno i uzdužno. Obrada s ultrazvukom ima veću točnost. Ovisno o granularnosti abraziva, to je 50 do 1 mikrona. Pomoću alata različitih oblika, možete napraviti ne samo rupe, ali i složene izrezane dijelove, zakrivljene sjekire, rezati, mljeti, proizvoditi matrice, pa čak i bušiti dijamant. Koristi se kao abrazivni materijali - korund, dijamant, kvarcni pijesak, kremena.

Ultrazvuk u radio-elektronici

Ultrazvuk u inženjerstvu često se koristi u području radio-elektronike. U ovom području, često postoji potreba za kašnjenjem električnog signala s obzirom na neku drugu. Znanstvenici su pronašli uspješno rješenje, što upućuje na uporabu ultrazvučnih linija kašnjenja (skraćeno - LZ). Njihova se akcija temelji na činjenici da se električni impulsi pretvaraju u ultrazvučni mehaničke vibracije. Kako se to događa? Činjenica je da je brzina ultrazvuka znatno manja od one koja se razvija elektromagnetske oscilacije. Naponski impuls nakon obrnutog pretvaranja u električne mehaničke oscilacije odgađa se na izlaznoj liniji u odnosu na ulazni impuls.

Piezoelektrični i magnetostriktivni pretvornici koriste se za pretvaranje električnih oscilacija na mehaničke i obrnuto. LZ, podijeljeni su u piezoelektrični i magnetostriktički.

Ultrazvuk u medicini

Različite vrste ultrazvuka se koriste za utjecaj na žive organizme. U medicinskoj praksi njegova je upotreba sada vrlo popularna. Temelji se na učincima koji nastaju u biološkim tkivima kada ultrazvuk prolazi kroz njih. Valovi uzrokuju vibracije čestica medija, što stvara neku vrstu mikromasaže tkiva. Apsorpcija ultrazvuka dovodi do njihova lokalnog grijanja. Istodobno, određene fizikalno-kemijske transformacije odvijaju se u biološkim medijima. Ti fenomeni u slučaju umjerenog intenziteta zvuka nepovratne štetnosti ne uzrokuju. Oni samo poboljšavaju metabolizam i time pridonose vitalnoj aktivnosti organizma na koje utječe. Takvi se fenomeni koriste u ultrazvučnoj terapiji.

Ultrazvuk u kirurgiji

Kavitacija i snažno zagrijavanje pri visokim intenzitetima dovode do uništenja tkiva. Taj je učinak danas korišten u operaciji. Fokalni ultrazvuk se koristi za operacije kirurškog zahvata koji omogućuju lokalno uništenje u najdubljim strukturama (npr. Mozgu) bez oštećenja okolnih. U operaciji se koriste i ultrazvučni instrumenti, u kojima radni kraj ima oblik pile, skalpel, iglu. Oscilacije koje su im nametnute daju nove osobine ovim uređajima. Potrebni napor je znatno smanjen, stoga trauma operacije se smanjuje. Osim toga, postoji anestetski i hemostatički učinak. Učinak tupog alata pomoću ultrazvuka služi za uništavanje pojave određenih vrsta neoplazmi u tijelu.

Utjecaj na biološka tkiva vrši se za uništavanje mikroorganizama i koristi se za sterilizaciju lijekova i medicinskih instrumenata.

Istraživanje unutarnjih organa

Uglavnom je riječ o ispitivanju trbušne šupljine. U tu svrhu koristi se poseban uređaj. Ultrazvuk se može koristiti za pronalaženje i prepoznavanje različitih abnormalnosti tkiva i anatomskih struktura. Zadatak je često ovo: postoji sumnja na prisutnost zloćudnog obrazovanja i treba ga razlikovati od nastanka benigne ili infektivne.

Ultrazvuk je korisna u proučavanju jetre i za druge poslove, koji uključuju detekciju opstrukcija žučnih bolesti, kao i ispitivanje žučnog mjehura za otkrivanje prisutnosti tamo kamenja i drugih bolesti. Osim toga, može se koristiti i studija ciroze i drugih difuznih benignih bolesti jetre.

U području ginekologije, uglavnom u analizi jajnika i maternice, upotreba ultrazvuka već dugo je glavni smjer u kojem se provodi posebno uspješno. Često postoji i potreba za razlikovanjem benignih i zloćudnih formacija, koja obično zahtijeva najbolji kontrast i prostorno rješenje. Takvi zaključci mogu biti korisni u proučavanju mnogih drugih unutarnjih organa.

Primjena ultrazvuka u stomatologiji

Ultrazvuk je također pronašao svoju primjenu u stomatologiji, gdje se koristi za uklanjanje kamenca. To vam omogućuje brzo, bez krvi i bezbolno uklanjanje plaka i kamena. U tom slučaju oralna sluznica nije ozlijeđena, a "džepovi" šupljine su dezinficirani. Umjesto boli, pacijent doživljava osjećaj topline.