Что такое ультразвук. Реферат: Ультразвук и его применение. Новые направления в ультразвуковой диагностике

Ультразвук – упругие волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц . Ультразвук (УЗ) подразделяют на три диапазона: УЗ низких частот

(до 10 5 Гц ), УЗ средних частот (10 5 – 10 7) Гц , УЗ высоких частот (10 7 – 10 9) Гц . Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. Длина волны УЗ высокой частоты в воздухе составляет (3,4·10 -5 - 3,4·10 -7) м , что значительно меньше длины волны звуковых волн. Из-за малых длин волн УЗ, как и свет, может распространяться в виде строго направленных пучков большой интенсивности.

УЗ в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой хорошие проводники УЗ, затухание в них значительно меньше. В воздухе и газах применяют только УЗ низких частот, для которых затухание меньше.

Устройства для генерации УЗ разделяют на две группы – механические и электромеханические .

Механические излучатели УЗ – воздушные и жидкостные свистки и сирены , они отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют электрической энергии высокой частоты. Их недостаток – широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультрозвуковой технологии и частично – как средства сигнализации.

Основными излучателями УЗ являются электромеханические системы, преобразующие электрические колебания в механические, которые используют в основном два явления: пьезоэлектрический эффект и магнитострикцию.

Обратный пьезоэлектрический эффект – это возникновение деформации под действием электрического поля. Он может быть реализован в вырезанной определенным образом кварцевой пластине или пластине титаната бария. Если такую пластину поместить в высокочастотное переменное электрическое поле, то можно вызвать ее вынужденные колебания. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания пьезоэлектрических элементов (пластин) на их собственной частоте. Предельные интенсивности излучения УЗ определяются прочностными свойствами материала излучателей. Для получения очень больших интенсивностей ультразвука используют его фокусировку с помощью параболоида.

Магнитострикция – это возникновение деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля. В ферромагнитном стержне (никель, железо и др.), помещенном в быстропеременное магнитное поле возбуждаются механические колебания, амплитуда которых максимальна в случае резонанса.

Приемники УЗ. Вследствие обратимости пьезоэффекта пьезоэлектрические преобразователи используются и для приема УЗ. Ультразвуковые колебания, воздействуя на кварц, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на противоположных поверхностях кварцевой пластины возникают электрические заряды, которые измеряются электроизмерительными приборами.

Применение УЗ. УЗ широко используется в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружения подводных предметов и определения глубин (гидролокатор, эхолот). Принцип локации: посылается импульс УЗ и регистрируется время t до его возвращения после отражения от предмета, тогда расстояние L до предметаопределяется выражением:

L = Vt /2.

По данным измерения поглощения УЗ можно осуществлять контроль за протеканием технологических процессов (контроль состава жидкостей, концентрации газов и т.д.). Используя отражение УЗ на границе различных сред, с помощью ультразвуковых приборов измеряют размеры изделий (ультразвуковые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в емкостях, недоступных для прямого измерения. УЗ используется в дефектоскопии для неразрушающего контроля изделий из твердых материалов (рельс, крупных отливок, качества проката и т.д.). Отдельно следует отметить, что при помощи УЗ осуществляется звуковое видение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние в световые, оказывается возможным увидеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде (например, УЗИ брюшной полости, сердца, глаза и т.д.). УЗ применяют для воздействия на различные процессы (кристаллизацию, диффузию, тепло- и массообмен в металлургии и т.д.), для воздействия на биологические объекты, для изучения физических свойств веществ (поглощения, структуры вещества и т.д.). УЗ широко применяют в медицине: ультразвуковая хирургия, микромассаж тканей, диагностика.

Контрольные вопросы:

1. Как объяснить распространение колебаний в упругой среде? Что такое упругая волна?

2. Что называется поперечной волной? продольной? Когда они возникают?

3. Что такое волновой фронт? волновая поверхность?

4. Что называется длиной волны? Какова связь между длиной волны, скоростью и периодом?

5. Какая волна является бегущей, гармонической, плоской, Каковы их уравнения?

6. Что такое волновое число, фазовая и групповая скорости?

7. В чем заключается физический смысл вектора Умова?

8. Всегда ли сохраняется энергия при интерференции двух волн?

9. Две когерентные волны, распространяющиеся навстречу друг

другу, отличаются амплитудами. Образуют ли они стоячую волну?

10. Чем стоячая волна отличается от бегущей?

11. Какое расстояние между двумя соседними узлами стоячей волны? двумя соседними пучностями? соседними пучностью и узлом?

12. Что такое звуковые волны? Звуковые волны в воздухе – продольные или поперечные?

13. Может ли звук распространяться в вакууме?

14. Что такое эффект Доплера? Чему будет равна частота колебаний, воспринимаемых покоящимся приемником, если источник колебаний от него удаляется?

15. Как определить частоту звука, воспринимаемую приемником,

если источник звука и приемник движутся?

16. Что такое двойной эффект Доплера?

Введение……………………………………………………………………3

Ультразвук………………………………………………………………….4

Ультразвук как упругие волны……………………………………..4

Специфические особенности ультразвука………………………………..5

Источники и приемники ультразвука……………………………………..7

Механические излучатели…………………………………………...7

Электроакустические преобразователи…………………………….9

Приемники ультразвука……………………………………………..11

Применение ультразвука…………………………………………………...11

Ультразвуковая очистка……………………………………………...11

Механическая обработка сверхтвердых и хрупких

материалов……………………………………………………………13

Ультразвуковая сварка……………………………………………….14

Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14

Ускорение производственных процессов………………..…………15

Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15

Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17

Ультразвук в медицине………………………………..……………..18

Литература…………………………………………………..……………….19

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

льтразвук.

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10 9 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10 12 -10 13 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

· низкие УЗ-вые частоты (1,5×10 4 – 10 5 Гц);

· средние (10 5 – 10 7 Гц);

· высокие (10 7 – 10 9 Гц).

Упругие волны с частотами 10 9 – 10 13 Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвук как упругие волны.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром , где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

Пецифические особенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке , наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия ), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см 2 . Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

Сточники и приемники ультразвука.

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Механические излучатели.

В излучателях первого типа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи (сирена), при натекании ее на препятствия различного вида (газоструйные генераторы, свистки).

УЗ сирена – два диска с большим количеством отверстий, помещенные в камеру (рис. 1).

Поступающий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его отверстия будут совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора (2) только в определенные моменты времени. В результате возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, которая определяется по формуле:

где N – число отверстий, равнораспределенных по окружности ротора и статора; w - угловая скорость ротора.

Давление в камере сирен обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см 2 . Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 40¸50 кГц, однако известны конструкции с верхним пределом 500 кГц. КПД генераторов не превышает 60%. Так как источником излучаемого сиреной звука являются импульсы газа, вытекающего из отверстий, частотный спектр сирен определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальных колебаний используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которыми равны их диаметру. При отверстиях прямоугольной формы, отстоящих друг от друга на ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения нескольких роторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями расположенными неравномерно и разной формы, можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сирен может достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.

Принцип действия УЗ генератора-свистка почти такой же, как и обычного милицейского свистка, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. При помощи такого генератора можно создавать колебания с частотой до 100 Кгц при относительно небольшой мощности. Для получения больших мощностей применяют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения газа выше. Жидкостные генераторы применяют для излучения УЗ в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 2) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором возбуждаются изгибные колебания.

Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый край пластинки, по обе стороны которой возникают завихрения, вызывающие изменения давления с большой частотой.

Для работы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см 2 . частота колебаний такого генератора определяется соотношением:

где v – скорость жидкости, вытекающей из сопла; d – расстояние между острием и соплом.

Гидродинамические излучатели в жидкости дают относительно дешевую УЗ-вую энергию на частотах до 30¸40 кГц при интенсивности в непосредственной близости от излучателя до нескольких Вт/см 2 .

Механические излучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне звуковых волн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их изготовление не дорого, но они не могут создавать монохроматическое излучение и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие излучатели отличаются нестабильностью частоты и амплитуды, однако при излучении в газовых средах они имеют относительно высокую эффективность и мощность излучения: их кпд составляет от нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятков кВт.

Электроакустические преобразователи.

Излучатели второго типа основываются на различных физических эффектах электромеханического преобразования. Как правило, они линейны, то есть воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном УЗ-вом диапазоне применяются электродинамические излучатели и излучающие магнитострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Наиболее широкое распространение получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрического типов.

В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом . Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока.

Чтобы частота колебаний излучателя соответствовала частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной индукции, что приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности.

Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ-вых магнитострикционных преобразователей (рис. 3).

Эти преобразователи отличаются большими относительными деформациями, повышенной механической прочностью, малой чувствительностью к температурным воздействиям. Магнитострикционные преобразователи имеют небольшие значения электрического сопротивления, в результате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения.

Чаще всего применяют преобразователи из никеля (высокая стойкость против коррозии, низкая цена). Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и из ферритов. У ферритов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий материал, что вызывает опасность их перегрузки при большой мощности. Кпд магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и твердое тело составляет 50¸90%., интенсивность излучения достигает нескольких десятков Вт/см 2 .

В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект – если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Наблюдается и обратное явление – если к электродам кварцевой пластинки подвести электрический заряд, то ее размеры уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого заряда. При изменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, то есть она будет колебаться в такт с изменениями знаков приложенного напряжения. Изменение толщины пластинки пропорционально приложенному напряжению.

Принцип пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении излучателей УЗ-вых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические. В качестве пьезоэлектрических материалов применяют кварц, титанат бария, фосфат аммония.

Кпд пьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность излучения – несколько десятков Вт/см 2 . Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют УЗ-вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-вых частот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в виде пьезоэлектрического преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюся волну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 10 5 -10 6 Вт/см 2 .

Приемники ультразвука.

В качестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такие приемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то есть временную зависимость звукового давления. В зависимости от условий применения приемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового поля используют термическими приемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов . Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими методами, например по дифракции света на УЗ.

Рименение ультразвука.

Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗ-вых волн, второе – с активным воздействием на вещество и третье – с обработкой и передачей сигналов. При каждом конкретном применении используется УЗ определенного частотного диапазона (табл. 1). Расскажем лишь о некоторых из многочисленных областей, где нашел применение УЗ.

Ультразвуковая очистка.

Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, а при ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.

Ультразвуковая очистка – сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в

Таблица 1

Применения			Частота в герцах
			10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11
Получение информации	Научные исследования	в газах, жидкостях
		в твердых телах	gggggggggggggggg
	О свойствах и составе веществ; о технологических процессах
		в жидкостях
		в твердых телах
	гидролокация
	УЗ дефектоскопия
	контроль размеров
	Медицинская диагностика
Воздействие на вещество	Коагуляция аэрозолей
	Воздействие на горение
	Воздействие на химические процессы
	Эмульгирование
	Диспергирование
	Распыление
	Кристаллизация
	Металлизация, пайка
	Механическая обработка
	Пластическое деформирование
	Хирургия
Обработка сигналов	Линии задержки
	Акустооптические устройства
	Преобразователи сигналов в акустоэлектронике

жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.

Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить УЗ-вой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. В чем сущность УЗ-вой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные и утяжеленные частицы специальными фильтрами.

Механическая обработка сверхтвердых

и хрупких материалов.

Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 4).

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

Ультразвуковая сварка.

Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае УЗ-вая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при УЗ-вой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью УЗ можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры)

Ультразвуковая пайка и лужение.

В промышленности все большее значение приобретает УЗ-вая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.

В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применением УЗ производится без флюса. Введение механических колебаний ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности.

Принцип УЗ-вой пайки алюминия заключается в следующем. Между паяльником и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием УЗ-вых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла.

Ускорение производственных процессов

с помощью ультразвука.

¾ Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание различных жидкостей и получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода и ртуть).

¾ Воздействуя УЗ-выми колебаниями большой интенсивности на жидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности.

¾ Сравнительно недавно начали применять УЗ для пропитки электротехнических намоточных изделий. Применение УЗ позволяет сократить время пропитки в 3¸5 раз и заменить 2-3 кратную пропитку одноразовой.

¾ Под действием УЗ значительно ускоряется процесс гальванического осаждения металлов и сплавов.

¾ Если в расплавленный металл вводить УЗ-вые колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость.

¾ Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к искусственному их старению.

¾ УЗ при прессовании металлических порошков обеспечивает получение прессованных изделий более высокой плотности и стабильности размеров.

Ультразвуковая дефектоскопия.

Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает 8¸10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10 -6 мм).

УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Теневой метод основан на ослаблении проходящих УЗ-вых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-вую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 5). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 15¸20%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на рис. 6. Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса.

Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект.

Ультразвук в радиоэлектронике.

В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы УЗ-вых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.

Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей.

Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания УЗ-вой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.

Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются УЗ-вые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.

Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания УЗ-вой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, УЗ-вые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения УЗ и электромагнитных сигналов на определенном участке.

Ультразвук в медицине.

Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при прохождении через них УЗ-вых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ – локальное нагревание их. Одновременно под действием УЗ происходят физико-химические превращения в биологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не вызывают необратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют жизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в УЗ-вой терапии (интенсивность УЗ до 1 Вт/см 2). При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в УЗ-вой хирургии . Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см 2). В хирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы и т.п. Наложение УЗ-вых колебаний на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований.

Воздействие мощного УЗ на биологические ткани применяется для разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских инструментов и лекарственных веществ.

УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает ощущение теплоты.

Литература.

1. И.П. Голямина. Ультразвук. – М.: Советская энциклопедия, 1979.

2. И.Г. Хорбенко. В мире неслышимых звуков. – М. : Машиностроение, 1971.

3. В.П. Северденко, В.В. Клубович. Применение ультразвука в промышленности. – Минск: Наука и техника, 1967.

Релаксация акустическая – внутренние процессы восстановления термодинамического равновесия среды, нарушаемого сжатиями и разрежениями в УЗ-вой волне. Согласно термодинамическому принципу равномерного распределения энергии по степеням свободы, энергия поступательного движения в звуковой волне переходит на внутренние степени свободы, возбуждая их, в результате чего уменьшается энергия, приходящаяся на поступательное движение. Поэтому релаксация всегда сопровождается поглощением звука, а также дисперсией скорости звука.

В монохроматической волне изменение колеблющейся величины W во времени происходит по закону синуса или косинуса и описывается в каждой точке формулой: .

Различают два вида магнитострикции: линейная, при которой геометрические размеры тела изменяются в направлении приложенного поля, и объемная, при которой геометрические размеры тела изменяются во всех направлениях. Линейная магнитострикция наблюдается при значительно меньших напряженностях поля, чем объемная. Поэтому практически в магнитострикционных преобразователях используется линейная магнитострикция.

Термистор – резистор, сопротивление которого, зависит от температуры. Термопара – два проводника из разных металлов, соединенных вместе. На концах проводников возникает ЭДС пропорционально температуре.

Ультразвук - это звуковые волны, которые имеют частоту не воспринимаемые человеческим ухом, обычно, частотой выше 20 000 герц.

В природной среде ультразвук может генерироваться в различных естественных шумах (водопад, ветер, дождь). Многие представители фауны используют ультразвук для ориентирования в пространстве (летучие мыши, дельфины, киты)

Источники ультразвука можно подразделить на две большие группы.

1. Излучатели-генераторы — колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости.
2. Электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Наука об ультразвуке относительно молода. В конце 19 века русский ученый – физиолог П. Н. Лебедев впервые провел исследования ультразвука.

В настоящее время применение ультразвука достаточно велико. Так как ультразвук довольно легко направить концентрированным «пучком», то его применяют в различных областях: при этом применение основано на различных свойствах ультразвука.

Условно можно выделить три направления использования ультразвука:

1. Передача и обработка сигналов
2. Получение с помощью УЗ волн различной информации
3. Воздействие ультразвука на вещество.

В этой статье мы затронем лишь малую часть возможностей применения УЗ.

1. Медицина. УЗ используется как в стоматологии, так и в хирургии, а так же применятся для Ультразвуковых исследований внутренних органов.
2. Очистка с помощью ультразвука. Особенно наглядно это демонстрируется на примере центра ультрозвукового оборудования ПСБ-Галс. В частности можно рассмотреть применение ультразвуковых ванн http://www.psb-gals.ru/catalog/usc.html , которые используются для очистки, смешивания, перемешивания, измельчения, дегазации жидкостей, ускорения химических реакций, экстракции сырья, получения стойких эмульсий и так далее.
3. Обработка хрупких или сверхтвердых материалов. Преобразование материалов происходит посредством множества микроударов

Это только малейшая часть использования ультразвуковых волн. Если вам интересно – оставляйте комментарии и мы раскроем тему более подробно.

Ультразвуком называют упругие волны (волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил), частота которых лежит за пределами слышимого для человека диапазона - приблизительно от 20 кГц и выше.

Полезные особенности ультразвуковых волн

И хотя физически ультразвук имеет ту же природу, что и слышимый звук, отличаясь лишь условно (более высокой частотой), именно благодаря более высокой частоте ультразвук оказывается применим по ряду полезных направлений. Так, при измерении скорости ультразвука в твердом, жидком или газообразном веществе, получают очень незначительные погрешности при мониторинге быстропротекающих процессов, при определении удельной теплоемкости (газа), при измерении упругих постоянных твердых тел.

Высокая частота при малых амплитудах дает возможность достигать повышенных плотностей потоков энергии, ибо энергия упругой волны пропорциональна квадрату ее частоты. Кроме того ультразвуковые волны, используемые правильным образом позволяют получить ряд совершенно особенных акустических эффектов и явлений.

Одно из таких необычных явлений - акустическая кавитация, возникающая при направлении мощной ультразвуковой волны в жидкость. В жидкости, в поле действия ультразвука, крохотные пузырьки пара или газа (субмикроскопического размера) начинают расти до долей миллиметров в диаметре, при этом пульсируя с частотой волны и схлопываясь в положительной фазе давления.

Захлопывающийся пузырек порождает локально высокий импульс давления, измеряемый тысячами атмосфер, становясь источником ударных сферических волн. Акустические микропотоки, образующиеся возле таких пульсирующих пузырьков, возымели полезное применение для получения эмульсий, очистки деталей и т. д.

Фокусируя ультразвук, получают звуковые изображения в акустической голографии и в системах звуковидения, концентрируют звуковую энергию с целью формирования направленных излучений с заданными и управляемыми характеристиками направленности.

Используя ультразвуковую волну в качестве дифракционной решетки для света, можно для тех или иных целей изменять показатели преломления света, поскольку плотность в ультразвуковой волне, как и в упругой волне в принципе, периодически изменяется.

Наконец, особенности, связанные со скоростью распространения ультразвука. В неорганических средах ультразвук распространяется со скоростью, зависящей от упругости и плотности сред.

Что касается сред органических, то здесь на скорость влияют границы и их характер, то есть фазовая скорость зависит от частоты (дисперсия). Ультразвук затухает с удалением фронта волны от источника - фронт расходится, ультразвук рассеивается, поглощается.

Внутреннее трение среды (сдвиговая вязкость) приводит к классическому поглощению ультразвука, кроме того релаксационное поглощение для ультразвука превосходит классическое. В газе ультразвук затухает сильнее, в твердых и в жидких телах - гораздо слабее. В воде, например, затухает в 1000 раз медленнее чем в воздухе. Так, промышленные области применения ультразвука почти целиком связаны с твердыми и жидкими телами.

Ультразвук в эхолокации и гидролокации (пищевая, оборонная, добывающая промышленности)

Первый прообраз гидролокатора был создан для предотвращения столкновений судов со льдинами и айсбергами, русским инженером Шиловским вместе с французским физиком Ланжевеном в далеком 1912 году.

Прибор использовал принцип отражения и приема звуковой волны. Сигнал направлялся в определенную точку, а по задержке ответного сигнала (эхо), зная скорость звука, можно было судить о расстоянии до отразившего звук препятствия.

Шиловский и Ланжевен стали глубоко исследовать гидроакустику, и вскоре создали прибор, способный обнаруживать вражеские подводные лодки в Средиземном море на расстоянии до 2 километров. Все современные гидролокаторы, в том числе военные, - потомки того самого прибора.

Современные эхолоты для исследования рельефа дна состоят из четырех блоков: передатчика, приемника, преобразователя и экрана. Функция передатчика - отправлять вглубь воды ультразвуковые импульсы (50 кГц, 192 кГц или 200 кГц), которые распространяются в воде со скоростью 1,5 км/с, где отражаются от рыб, камней, других предметов и дна, затем эхо достигает приемника, обрабатывается преобразователем и результат отображается на дисплее в удобной для зрительного восприятия форме.

Ультразвук в электронной и электроэнергетической промышленности

Без ультразвука не обходятся многие области современной физики. Физика твердого тела и полупроводников, а также акустоэлектроника, во многом тесно сопряжены с ультразвуковыми методами исследований, - с воздействиями на частоте от 20 кГц и выше. Особенное место занимает здесь акустоэлектроника, где ультразвуковые волны взаимодействуют с электрическими полями и электронами внутри твердых тел.

Объемные ультразвуковые волны используются на линиях задержки и в кварцевых резонаторах с целью стабилизации частоты в современных радиоэлектронных системах обработки и передачи информации. Поверхностные акустические волны занимают особое место в полосовых фильтрах для телевидения, в синтезаторах частот, в устройствах переноса заряда акустической волной, в устройствах памяти и считывания изображений. Наконец, корреляторы и конвольверы - используют в своей работе поперечный акустоэлектрический эффект.

Радиоэлектроника и ультразвук

Для задержки одного электрического сигнала относительно другого полезны ультразвуковые линии задержки. Электрический импульс преобразуется в импульсное механическое колебание ультразвуковой частоты, которое распространяется многократно медленнее электромагнитного импульса; затем механическое колебание обратно преобразуется в электрический импульс, и получается сигнал, задержанный относительно подаваемого изначально.

Для такого преобразования обычно применяют пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, поэтому и линии задержки называются пьезоэлектрическими или магнитострикционными.

В пьезоэлектрической линии задержки электрический сигнал подается на кварцевую пластинку (пьезоэлектрический преобразователь), соединенную жестко с металлическим стрежнем.

К другому концу стержня присоединен второй пьезоэлектрический преобразователь. Входной преобразователь принимает сигнал, создает механические колебания, распространяющиеся по стрежню, и когда колебания достигают через стержень второго преобразователя, вновь получается электрический сигнал.

Скорость распространения колебаний по стержню сильно меньше чем просто у электрического сигнала, поэтому сигнал, прошедший через стержень задерживается относительно подаваемого на величину, связанную с разностью скоростей электромагнитных и ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционная линия задержки сдержит входной преобразователь, магниты, звукопровод, выходной преобразователь и поглотители. Входной сигнал подается на первую катушку, в стержневом звукопроводе из магнитострикционного материала начинаются колебания ультразвуковой частоты - механические колебания - магнит создает здесь постоянное подмагничивание в зоне преобразования и начальную магнитную индукцию.

Ультразвук в обрабатывающей промышленности (резка и сварка)

Между источником ультразвука и деталью располагают абразивный материал (кварцевый песок, алмаз, камень и т. д.). Ультразвук действует на частицы абразива, которые в свою очередь с частотой ультразвука ударяют о деталь. Материал детали под воздействием огромного количества крохотных ударов абразивных зерен разрушается, - так происходит обработка.

Резание складывается с движением подачи, при этом продольные колебания резания являются основными. Точность ультразвуковой обработки зависит от зернистости абразива, и достигает 1 мкм. Таким путем делают сложные вырезы, необходимые в изготовлении металлических деталей, шлифовке, гравировке и сверлении.

Если необходимо сварить разнородные металлы (или даже полимеры) или толстую деталь объединить с тонкой пластиной - на помощь опять же приходит ультразвук. Это так называемая . Под действием ультразвука в области сварки металл становится очень пластичным, детали можно очень легко вращать во время соединения под любыми углами. И стоит отключить ультразвук - детали мгновенно соединятся, схватятся.

Особенно примечательно, что сварка происходит при температуре ниже температуры плавления деталей, и соединение их происходит фактически в твердом состоянии. Но так сваривают и стали, и титан, и даже молибден. Тонкие листы свариваются проще всего. Данный метод сварки не предполагает особой подготовки поверхности деталей, это касается и металлов и полимеров.

Ультразвук в металлургии (ультразвуковая дефектоскопия)

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из эффективнейших методов контроля качества металлических деталей без разрушения. В однородных средах ультразвук распространяется без быстрых затуханий направленно, и на границе сред ему свойственно отражение. Так металлические детали проверяют на наличие внутри них раковин и трещин (граница сред воздух-металл), выявляют повышенную усталость металла.

Ультразвук способен проникнуть в деталь на глубину до 10 метров, причем размеры выявляемых дефектов имеют порядок 5 мм. Существуют: теневой, импульсный, резонансный, структурного анализа, визуализации, - пять методов ультразвуковой дефектоскопии.

Простейший метод - теневая ультразвуковая дефектоскопия, данный метод строится на ослаблении ультразвуковой волны, когда она наталкивается на дефект при прохождении сквозь деталь, поскольку дефект создает ультразвуковую тень. Работают два преобразователя: первый излучает волну, второй - принимает.

Данный метод малочувствителен, дефект обнаруживается лишь в случае, если его влияние изменяет сигнал минимум на 15%, к тому же нельзя определить глубину, где в детали находится дефект. Более точные результаты дает импульсный ультразвуковой метод, он показывает еще и глубину.

Ультразвуком принято называть упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. Такое определение сложилось исторически, однако нижняя граница ультразвука, связанная с субъективными ощущениями человека, не может быть четкой, поскольку некоторые люди не могут слышать звуки с частотами в 10 кГц, а есть люди, воспринимающие частоты в 25 кГц. Для внесения четкости в определение нижней границы ультразвука с 1983 г. установлено считать ее равной 11,12 кГц (ГОСТ 12.1.001–83).

Верхняя граница ультразвука обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу ультразвуковых волн (УЗ) определяют из приблизительного равенства длины звуковой волны и средней длины свободного пробега молекул газа (~10 –6 м), что дает частоту порядка 1 ГГц (10 9 Гц). Расстояние между атомами и молекулами в кристаллической решетке твердого тела примерно равно 10 –10 м. Считая, что и длина волны ультразвука такого же порядка величины, получаем частоту 10 13 Гц. Упругие волны с частотами более 1 ГГц называют гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона или инфразвука, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, рассеяния и т. п.). Скорости распространения УЗ волн примерно такие же, как и скорости слышимого звука (см. табл. 4), а поэтому длины ультразвуковых волн значительно меньше. Так, при распространении в воде (с = 1500 м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина волны l = 1500/10 6 = 1,5·10 –3 м = 1,5 мм. Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к ультразвуку можно применять законы геометрической оптики и изготавливать ультразвуковые фокусирующие системы: выпуклые и вогнутые зеркала и линзы, которые используют для получения звуковых изображений в системах звукозаписи и акустической голографии. Помимо этого, фокусировка ультразвука позволяет концентрировать звуковую энергию, получая при этом большие интенсивности.

Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Однако, как и для обычного звука, затухание ультразвука определяется не только его поглощением, но и отражением на границах раздела сред, отличающихся своими акустическими сопротивлениями. Этот фактор имеет большое значение при распространении ультразвука в живых организмах, ткани которых обладают самыми различными акустическими сопротивлениями (например, на границах мышца – надкостница – кость, на поверхностях полых органов и т. п.). Так как акустическое сопротивление биологических тканей в среднем в сотни раз превышает акустическое сопротивление воздуха, то на границе воздух – ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Это создает определенные трудности при ультразвуковой терапии, так как слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука. Поскольку избежать прослоек воздуха между кожей и излучателем невозможно, для заполнения имеющихся между ними неровностей используют специальные контактные вещества, которые должны удовлетворять определенным требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическим сопротивлениям кожи и излучателя, обладать малым коэффициентом поглощения ультразвука, иметь значительную вязкость и хорошо смачивать кожу, быть нетоксичными для организма. В качестве контактных веществ обычно используют вазелиновое масло, глицерин, ланолин и даже воду.

ПОЛУЧЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы.

К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Первым УЗ генератором был свисток Гальтона – короткая, закрытая с одного конца трубка с острыми краями, на которые направляется воздушная струя из кольцеобразного сопла. Срывы струи на острых концах трубки вызывают колебания воздуха, частота которых определяется длиной трубки. Свистки Гальтона позволяют получать ультразвук с частотой до 50 кГц. Интересно, что подобными свистками еще в прошлом веке пользовались браконьеры, подзывая охотничьих собак сигналами, не слышными для человека.

Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Газоструйные излучатели и сирены служат почти единственными источниками мощных акустических колебаний в газовых средах, в которые из-за малого акустического сопротивления излучатели с твердой колеблющейся поверхностью не могут передать ультразвук большой интенсивности. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых ими частот, что ограничивает область их применения в биологии.

Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию акустических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели.

В 1880 г. французские ученые Пьер и Жак Кюри открыли явление, получившее название пьезоэлектрического эффекта (греч. пьезо – давлю). Если вырезать определенным образом из кристаллов некоторых веществ (кварца, сегнетовой соли) ; пластинку и сжать ее, то на ее гранях появятся разноименные электрические заряды. При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются. Пьезоэлектрический эффект обратим. Это означает, что если кристалл поместить в электрическое поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля. В переменном электрическом поле кристалл будет деформироваться в такт с изменениями направлениям вектора напряженности и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т. е. продольную акустическую волну.

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить, переменное напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель. Следовательно, один и тот же кристалл может служить и приемником, и излучателем ультразвука поочередно. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем (рис.). В связи с тем что применение ультразвука в различных областях науки, техники, медицины и ветеринарии с каждым годом возрастает, требуется все большее количество ультразвуковых преобразователей, однако запасы природного кварца не могут удовлетворить возрастающие в нем потребности. Наиболее подходящим заменителем кварца оказался титанат бария, представляющий собой аморфную смесь двух минеральных веществ – углекислого бария и двуокиси титана. Для придания ей нужных свойств аморфную массу нагревают до высокой температуры, при которой она размягчается, и помещают ее в электрическое поле. При этом происходит поляризация дипольных молекул. После охлаждения вещества в электрическом поле молекулы фиксируются в ориентировочном положении и вещество приобретает определенный электрический дипольный момент. У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз сильнее, чем у кварца, а стоимость его невысока.

Преобразователи другого типа основаны на явлении магни-тострикции (лат. strictura–сжимание). Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается в зависимости от направления намагничивания. Если стержень поместить в переменное магнитное поле, то его длина будет меняться в такт с изменениями электрического тока, создающего магнитное поле. Деформация стержня создает акустическую волну в окружающей среде.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей применяют пермендюр, никель, железоалюминиевые сплавы – альсифёры. У них большие величины относительных деформаций, большая механическая плотность и меньшая чувствительность к температурным воздействиям.

В современной ультразвуковой аппаратуре используют оба вида преобразователей. Пьезоэлектрические применяют для получения ультразвука высоких частот (выше 100 кГц), магни-тострикционные– для получения ультразвука меньших частот. Для медицинских и ветеринарных целей обычно используют генераторы небольшой мощности (10–20 Вт) (рис.).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ВЕЩЕСТВОМ

Рассмотрим, с какими параметрами колебательного движения приходится иметь дело при распространении ультразвука в веществе. Пусть излучатель создает волну с интенсивностью I =10 5 Вт/м 2 и частотой 10 5 Гц. I = 0,5rcA 2 w 2 = 2cA 2 rp 2 n 2 . Отсюда

Подставляя в формулу значения входящих в нее величин, получим, что амплитуда смещения частиц воды при данных условиях А = 0,6 мкм. Амплитудное значение ускорения частиц воды а м = Аw 2 = 2·4·10 5 м/с 2 , что в 24 000 раз превышает ускорение силы тяжести. Амплитудное значение акустического давления р а = rсАw = 5,6·10 5 Па @ 6 атм. При фокусировании ультразвука получаются еще большие давления.

При распространении ультразвуковой волны в жидкости во время полупериодов разрежения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных паром этой жидкости. Это явление носит название кавитации (лат. cavum– пустота). Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становится больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации. Для чистой воды теоретическое значение порога кавитации р к = 1,5·10 8 Па = 1500 атм. Реальные жидкости менее прочны в связи с тем, что в них всегда находятся зародыши кавитации – микроскопические газовые пузырьки, твердые частички с трещинами, заполненными газом, и т. п. Часто на поверхности пузырьков возникают электрические заряды. Захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается сильным нагревом их содержимого, а также выделением газов, содержащих атомарный и ионизированный компоненты. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям. Это проявляется в кавитационной эрозии, т. е. в разрушении поверхности твердых тел. Даже такие прочные вещества, как сталь и кварц, разрушаются под действием микроударных гидродинамических волн, возникающих при захлопывании пузырьков, не говоря уже о находящихся в жидкости биологических объектах, например микроорганизмах. Этим пользуются для очистки поверхности металлов от окалины, жировых пленок, а также для диспергирования твердых тел и получения эмульсий несмешивающихся жидкостей.

При интенсивности ультразвука менее 0,3-10 4 Вт/м 2 кавитация в тканях не происходит, и ультразвук вызывает ряд других эффектов. Так, в жидкости возникают акустические потоки, или «звуковой ветер», скорость которого достигает десятков сантиметров в секунду. Акустические потоки перемешивают облучаемые жидкости, изменяют физические свойства суспензий. Если в жидкости находятся частицы, обладающие противоположными электрическими зарядами и разными массами, то в ультразвуковой волне эти частицы будут отклоняться от положения равновесия на разные расстояния и в поле волны возникает переменная разность потенциалов (эффект Дебая). Такое явление происходит, например, в растворе поваренной соли, содержащей ионы Н + и в 35 раз более тяжелые ионы С1 – . При больших различиях в массах потенциал Дебая может достигать десятков и сотен мВ.

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии в тепловую. Тепло образуется в областях, примыкающих к границам раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. При отражении ультразвука интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. Легко убедиться в этом, прижав к влажной руке излучатель. Вскоре на противоположной стороне руки возникает болевое ощущение, похожее на боль от ожога, вызванное ультразвуком, отраженным на границе кожа – воздух. Однако тепловое действие ультразвука при интенсивностях, применяемых в терапии, очень незначительно.

В УЗ поле могут протекать как окислительные, так и восстановительные реакции, причем даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы. Одной из характерных реакций является расщепление молекулы воды на радикалы Н + и ОН – с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 и некоторых жирных кислот. Значительное действие оказывает ультразвук на некоторые биохимические соединения: от белковых молекул отрываются молекулы аминокислот, происходит денатурация протеинов и т. п. Все эти реакции стимулируются, очевидно, колоссальными давлениями, возникающими в ударных кавитационных волнах, однако законченной теории звукохимических реакций в настоящее время еще не существует.

Ультразвук вызывает свечение воды и некоторых других жидкостей (УЗ люминесценция). Свечение это очень слабое, и его обычно регистрируют фотоумножителями. Причина свечения в основном заключается в том, что при захлопывании кавитационных пузырьков происходит сильное адиабатическое нагревание заключенного в них пара. Температура внутри пузырьков может достигать 10 4 К, что приводит к возбуждению атомов газа и излучению ими квантов света. Интенсивность УЗ люминесценции зависит от количества газа в пузырьке, от свойств жидкости и интенсивности ультразвука. Это явление несет с собой информацию о природе и кинетике процессов, происходящих при облучении жидкости ультразвуком. Как было показано В. Б. Акопяном и А. И. Журавлевым, при некоторых заболеваниях УЗ свечение ряда биологических жидкостей меняется, что может лечь в основу диагностики этих заболеваний.

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

На живые организмы ультразвук, как и другие физические факторы, оказывает возмущающее действие, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Механизм возмущающего действия ультразвука изучен еще недостаточно, но можно утверждать, что он определяется совокупностью механического, термического и физико-химического действий. Эффективность этих факторов зависит от частоты и интенсивности ультразвука. Выше были вычислены амплитудные значения акустического давления и ускорения частиц среды в УЗ волне, которые оказались очень большими, однако они не дают представления о механических усилиях, приходящихся на одну клетку. Расчет сил, действующих на клетку в УЗ поле, был проведен В. Б. Акопяном, который показал, что если на клетку размером 5·10 – 5 м действует ультразвук с частотой 1 МГц и интенсивностью 10 4 Вт/м 2 , то максимальная разность растягивающих и сжимающих сил в противоположных концах клетки не превышает 10 –13 Н. Такие силы не могут оказывать на клетку заметного влияния, не говоря уже о ее разрушении. Поэтому растягивающие и сжимающие силы, действующие на клетку в УЗ волне, вряд ли могут приводить к ощутимым биологическим последствиям.

Более эффективны, по-видимому, акустические течения, приводящие к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Внутри клетки, обладающей сложной внутренней структурой, микропотоки вполне могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму и изменять ее вязкость, отрывать от клеточных мембран биологические макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный заряд, мембран и их проницаемость, оказывая влияние на жизнедеятельность клетки. Если мембраны не повреждены, то через некоторое время перешедшие во внеклеточную среду или в цитоплазму макромолекулы возвращаются обратно на поверхность мембран, хотя и неизвестно, попадают ли они именно на те места, с которых были вырваны, а если нет, то ведет ли это к каким-либо нарушениям физиологии клетки.

Разрушение мембран происходит при достаточно больших интенсивностях ультразвука, однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются уже при интенсивностях порядка 0,1·10 4 Вт/м 2 , тогда как другие выдерживают интенсивность до 25·10 4 Вт/м 2 и выше. Как правило, более чувствительны клетки животных тканей и менее чувствительны растительные клетки, защищенные прочной оболочкой. О различной ультразвуковой резистентности эритроцитов говорилось в главе I. Облучение ультразвуком с интенсивностью более 0,3·10 4 Вт/м 2 (т.е. выше порога кавитации) используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов. Так разрушают тифозные и туберкулезные палочки, стрептококки и пр. Следует отметить, что облучение ультразвуком с интенсивностью менее кавитационного порога может приводить к повышению жизнедеятельности клеток и к увеличению числа этих микроорганизмов, что вместо положительного эффекта приведет к отрицательному. Ультразвук, применяемый в терапии и диагностике, не вызывает кавитации в тканях. Это обусловлено либо заведомо низкими интенсивностями (от 0,05 до 0,1 Вт/см 2), либо использованием интенсивных (до 1 кВт/см 2), но коротких импульсов (от 1 до 10 мкс) при эхолокации внутренних органов. Усредненная по времени интенсивность ультразвука оказывается и в этом случае не выше 0,1-10 4 Вт/м 2 , что недостаточно для возникновения кавитации.

Нагревание тканей при их облучении терапевтическим ультразвуком весьма незначительно. Так, при облучении отдельных органов у коров в месте воздействия ультразвука температура кожи повышается не более чем на 1 °С при интенсивности 10 4 Вт/м 2 . При облучении ультразвуком теплота в основном выделяется не в объеме ткани, а на границах раздела тканей с разными акустическими сопротивлениями, или в одной и той же ткани на неоднородностях ее структуры. Возможно, что именно этим объясняется тот факт, что ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (печень и др.). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Не менее существенными могут оказаться и эффекты, связанные с потенциалом Дебая. Импульсы диагностического ультразвука способны обусловить в тканях потенциал Дебая до сотен мВ, что сравнимо по порядку величины с потенциалами клеточных мембран, а это может вызвать деполяризацию мембран и повышение их проницаемости по отношению к ионам, участвующим в клеточном метаболизме. Следует отметить, что изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетки, превалирует в том или ином случае.

Таким образом, биологическое действие ультразвука обусловлено многими связанными между собой процессами, некоторые из которых еще недостаточно исследованы до настоящего времени и описание которых не входит в задачу учебного пособия. Согласно В.Б. Акопяну, ультразвук вызывает в биологических объектах следующую цепочку превращений: ультразвуковое воздействие ® микропотоки в клетке ® повышение проницаемости клеточных мембран ® изменение состава внутриклеточной среды ® нарушение оптимальных условий для ферментативных процессов ® подавление ферментативных реакций в клетке ® синтез новых ферментов в клетке и т. д. Пороговым для биологического действия ультразвука будет такое значение его интенсивности, при котором не происходит нарушения проницаемости клеточных мембран, т. е. интенсивность не выше 0,01·10 4 Вт/м 2 .

Ультразвук, обладающий сильным биологическим свойством, можно применять в сельском хозяйстве. Опыты последних лет показали перспективность воздействия низкочастотным ультразвуком на семена злаковых и огородных культур, кормовых и декоративных растений.

УЛЬТРАЗВУК В МИРЕ ЖИВОТНЫХ

Некоторые птицы, ведущие ночной образ жизни, используют для эхолокации звуки слышимого диапазона (козодои, стрижи-саланганы). Козодои, например, издают резкие отрывистые крики с частой 7 кГц. После каждого крика птица улавливает звук, отраженный от препятствия, и узнает местоположение этого препятствия по направлению, откуда пришло эхо. Зная скорость распространения звука и время, прошедшее от его испускания до приема, можно вычислить расстояние до препятствия. Таких вычислений птица, конечно, не делает, но каким-то образом ее мозг позволяет хорошо ориентироваться в пространстве.

Наибольшего совершенства достигли ультразвуковые эхолокационные органы у летучих мышей. Поскольку пищей для них служат насекомые, т. е. предметы малых размеров, то для уменьшения дифракции на подобных объектах необходимо использовать колебания с малой длиной волны. В самом деле, если принять, что размер насекомого 3 мм, то дифракция на нем будет незначительной при длине волны такого же порядка величины, а для этого частота колебаний должна быть, по крайней мере, равной n = c /l = 340/3·10 –3 » 10 5 Гц = 100 кГц. Отсюда вытекает необходимость использования для эхолокации ультразвука, и, действительно, летучие мыши испускают сигналы с частотами порядка 100 кГц. Процесс эхолокации происходит следующим образом. Зверек испускает сигнал длительностью 1–2 мс, причем на это время его чувствительные ушки закрываются специальными мышцами. Затем сигнал прекращается, ушки открываются, и летучая мышь слышит отраженный сигнал. Во время охоты сигналы следуют один за другим до 250 раз в секунду.

Чувствительность эхолокационного аппарата летучих мышей очень высока. Так, например, Гриффин натягивал в темной комнате сетку из металлических проволок диаметром 0,12 мм с расстоянием между проволоками в 30 см, что лишь немного превышало размах крыльев летучих мышей. Тем не менее, зверьки свободно летали по комнате, не задевая за проволоки. Мощность воспринимаемого ими сигнала, отраженного от проволоки, была порядка 10 –17 Вт. Удивительна также способность летучих мышей выделять нужный сигнал из хаоса звуков. Во время охоты каждая летучая мышь воспринимает только те УЗ сигналы, которые она испускает сама. Очевидно, органы этих животных имеют строгую резонансную настройку на сигналы определенной частоты, и они не реагируют на сигналы, отличающиеся от собственных всего на долю герца. Такой избирательностью и чувствительностью не обладает пока ни одно локационное устройство, созданное человеком. Широко используют УЗ локацию дельфины. Чувствительность их локатора настолько велика, что они могут обнаруживать на расстоянии 20–30 м опущенную в воду дробинку. Диапазон частот, испускаемых дельфинами, составляет от нескольких десятков герц до 250 кГц, но максимум интенсивности приходится на 20–60 кГц. Для внутривидового общения дельфины используют звуки слышимого человеком диапазона, примерно до 400 Гц.