Kaj je ultrazvok. Povzetek: Ultrazvok in njegova uporaba. Novi trendi v ultrazvočni diagnostiki

Ultrazvok – elastični valovi s frekvencami od 20 kHz do 1 GHz. Ultrazvok (UZ) delimo na tri področja: Ultrazvok nizkih frekvenc

(do 105 Hz), ultrazvočne srednje frekvence (10 5 - 10 7) Hz, ultrazvočne visoke frekvence (10 7 - 10 9) Hz. Za vsako od teh območij so značilne posebne značilnosti generiranja, sprejema, distribucije in uporabe. Valovna dolžina visokofrekvenčnega ultrazvoka v zraku je (3,4 10 -5 - 3,4 10 -7) m, ki je veliko manjša od valovne dolžine zvočnih valov. Zaradi majhnih valovnih dolžin se lahko ultrazvok, tako kot svetloba, širi v obliki strogo usmerjenih žarkov visoke intenzivnosti.

Ultrazvok v plinih, zlasti v zraku, se širi z velikim slabljenjem. Tekočine in trdne snovi (zlasti monokristali) so dobri prevodniki ultrazvoka, slabljenje v njih je veliko manjše. V zraku in plinih se uporablja samo nizkofrekvenčni ultrazvok, pri katerem je dušenje manjše.

Naprave za generiranje ultrazvoka delimo v dve skupini - mehanski in elektromehanski .

Mehanski ultrazvočni oddajniki - zrak in tekočina piščalke in sirene , so enostavni pri oblikovanju in delovanju, ne potrebujejo visokofrekvenčne električne energije. Njihova pomanjkljivost je širok razpon oddajanih frekvenc ter nestabilnost frekvence in amplitude, kar onemogoča njihovo uporabo v krmilno-merilne namene; uporabljajo se predvsem v industrijski ultrazvočni tehnologiji in deloma kot signalne naprave.

Glavni oddajniki ultrazvoka so elektromehanski sistemi, ki pretvarjajo električne vibracije v mehanske, ki uporabljajo predvsem dva pojava: piezoelektrični učinek in magnetostrikcijo.

Povratni piezoelektrični učinek je pojav deformacije pod delovanjem električnega polja. Lahko se izvaja v posebej rezani kremenčevi plošči ali plošči barijevega titanata. Če takšno ploščo postavimo v visokofrekvenčno izmenično električno polje, lahko povzročimo njena prisilna nihanja. Za povečanje amplitude nihanj in moči, ki se seva v medij, se praviloma uporabljajo resonančna nihanja piezoelektričnih elementov (plošč) na njihovi naravni frekvenci. Mejne jakosti ultrazvočnega sevanja določajo trdnostne lastnosti materiala oddajnika. Za pridobitev zelo visoke intenzivnosti ultrazvoka se uporablja fokusiranje s paraboloidom.

Magnetostrikcija - to je pojav deformacije v feromagnetih pod vplivom magnetnega polja. V feromagnetni palici (nikelj, železo itd.), postavljeni v hitro spreminjajoče se magnetno polje, se vzbujajo mehanska nihanja, katerih amplituda je največja v primeru resonance.

sprejemniki ZDA. Zaradi reverzibilnosti piezoelektričnega učinka se za sprejem ultrazvoka uporabljajo tudi piezoelektrični pretvorniki. Ultrazvočne vibracije, ki delujejo na kremen, povzročajo v njem elastična nihanja, zaradi česar na nasprotnih površinah kremenčeve plošče nastanejo električni naboji, ki jih merijo električni merilni instrumenti.

Uporaba ultrazvoka. Ultrazvok se pogosto uporablja v tehniki, na primer za usmerjevalno podvodno signalizacijo, zaznavanje podvodnih objektov in določanje globin (sonar, ehosonder). Princip lociranja: pošlje se ultrazvočni impulz in zabeleži se čas t dokler se ne vrne po odboju od predmeta, nato razdalja L subjektu je opredeljen z izrazom:

L = Vt/2.

Z merjenjem ultrazvočne absorpcije je možno kontrolirati potek tehnoloških procesov (kontrola sestave tekočin, koncentracije plinov itd.). Z odbojem ultrazvoka na meji različnih medijev s pomočjo ultrazvočnih naprav merimo dimenzije izdelkov (ultrazvočni debelinomeri), določamo nivoje tekočin v posodah, ki so za neposredno merjenje nedostopne. Ultrazvok se uporablja pri odkrivanju napak za neporušitvene preiskave izdelkov iz trdih materialov (tirnice, veliki ulitki, kakovost valjanih izdelkov itd.). Ločeno je treba opozoriti, da se s pomočjo ultrazvoka izvaja zvočni vid: s pretvorbo ultrazvočnih vibracij v električne in slednje v svetlobo je mogoče videti določene predmete v mediju, neprozornem za svetlobo (na primer ultrazvok). trebušne votline, srca, oči itd.). Ultrazvok se uporablja za vplivanje na različne procese (kristalizacija, difuzija, prenos toplote in mase v metalurgiji itd.), za vplivanje na biološke objekte, za preučevanje fizikalnih lastnosti snovi (absorpcija, struktura snovi itd.). Ultrazvok se pogosto uporablja v medicini: ultrazvočna kirurgija, mikromasaža tkiv, diagnostika.

Testna vprašanja:

1. Kako razložiti širjenje nihanj v elastičnem mediju? Kaj je elastični val?

2. Kaj imenujemo transverzalno valovanje? vzdolžno? Kdaj se pojavijo?

3. Kaj je valovna fronta? valovna površina?

4. Kaj imenujemo valovna dolžina? Kakšno je razmerje med valovno dolžino, hitrostjo in periodo?

5. Katero valovanje je potujoče, harmonično, ravninsko, kakšne so njihove enačbe?

6. Kakšno je valovno število, fazna in skupinska hitrost?

7. Kakšen je fizikalni pomen vektorja Umov?

8. Ali se energija vedno ohrani, ko interferirata dva vala?

9. Dva koherentna vala, ki se širita drug proti drugemu

drugi, se razlikujejo po amplitudi. Ali tvorijo stoječi val?

10. Kako se stoječi val razlikuje od potujočega?

11. Kakšna je razdalja med dvema sosednjima vozliščema stoječega vala? dva sosednja antinoda? sosednji antinod in nod?

12. Kaj so zvočni valovi? Ali so zvočni valovi v zraku vzdolžni ali prečni?

13. Ali lahko zvok potuje v vakuumu?

14. Kaj je Dopplerjev učinek? Kakšna bo frekvenca nihanj, ki jih zazna sprejemnik v mirovanju, če se vir nihanj odmakne od njega?

15. Kako določiti frekvenco zvoka, ki ga zaznava sprejemnik,

če se izvor zvoka in sprejemnik premikata?

16. Kaj je dvojni Dopplerjev učinek?

Uvod…………………………………………………………………………3

Ultrazvok…………………………………………………………………….4

Ultrazvok kot elastično valovanje………………………………………..4

Posebnosti ultrazvoka………………………………..5

Viri in sprejemniki ultrazvoka………………………………………..7

Mehanski oddajniki…………………………………………...7

Elektroakustični pretvorniki…………………………….9

Ultrazvočni sprejemniki………………………………………………..11

Uporaba ultrazvoka……………………………………………………...11

Ultrazvočno čiščenje……………………………………………...11

Obdelava supertrdih in krhkih

materiali…………………………………………………………………13

Ultrazvočno varjenje…………………………………………………….14

Ultrazvočno spajkanje in kositranje……………………………………14

Pospešitev proizvodnih procesov………………..…………15

Ultrazvočno odkrivanje napak…………………………..…………15

Ultrazvok v radijski elektroniki………………………..……………17

Ultrazvok v medicini…………………………………..……………..18

Literatura…………………………………………………..……………….19

Enaindvajseto stoletje je stoletje atoma, osvajanja vesolja, radioelektronike in ultrazvoka. Veda o ultrazvoku je relativno mlada. Prvo laboratorijsko delo na preučevanju ultrazvoka je izvedel veliki ruski fizik P. N. Lebedev konec 19. stoletja, nato pa so se z ultrazvokom ukvarjali številni ugledni znanstveniki.

Ultrazvok je valovito nihajno gibanje srednjih delcev. Ultrazvok ima nekatere značilnosti v primerjavi z zvoki slišnega območja. V ultrazvočnem območju je relativno enostavno dobiti usmerjeno sevanje; dobro se prilega fokusiranju, zaradi česar se intenzivnost ultrazvočnih tresljajev poveča. Pri širjenju v plinih, tekočinah in trdnih snoveh ultrazvok ustvarja zanimive pojave, od katerih so mnogi našli praktično uporabo na različnih področjih znanosti in tehnologije.

V zadnjih letih je ultrazvok začel igrati vse pomembnejšo vlogo v znanstvenih raziskavah. Uspešno so bile izvedene teoretične in eksperimentalne študije na področju ultrazvočne kavitacije in akustičnih tokov, kar je omogočilo razvoj novih tehnoloških procesov, ki potekajo pod delovanjem ultrazvoka v tekoči fazi. Trenutno se oblikuje nova smer v kemiji - ultrazvočna kemija, ki omogoča pospešitev številnih kemičnih in tehnoloških procesov. Znanstvene raziskave so prispevale k nastanku novega oddelka akustike - molekularne akustike, ki preučuje molekularno interakcijo zvočnih valov s snovjo. Pojavila so se nova področja uporabe ultrazvoka: introskopija, holografija, kvantna akustika, ultrazvočno merjenje faz, akustoelektronika.

Ob teoretičnih in eksperimentalnih raziskavah na področju ultrazvoka je bilo opravljenega tudi veliko praktičnega dela. Razviti so bili univerzalni in posebni ultrazvočni stroji, naprave, ki delujejo pod povečanim statičnim tlakom, ultrazvočne mehanizirane naprave za čiščenje delov, generatorji s povečano frekvenco in novim hladilnim sistemom, pretvorniki z enakomerno porazdeljenim poljem. Avtomatske ultrazvočne naprave so bile ustvarjene in uvedene v proizvodnjo, ki so vključene v proizvodne linije, kar omogoča znatno povečanje produktivnosti dela.

ultrazvok.

Ultrazvok (US) - elastične vibracije in valovi, katerih frekvenca presega 15 - 20 kHz. Spodnja meja ultrazvočnega frekvenčnega območja, ki ga ločuje od območja slišnega zvoka, je določena s subjektivnimi lastnostmi človeškega sluha in je pogojna, saj je zgornja meja slušnega zaznavanja pri vsakem človeku drugačna. Zgornja meja ultrazvočnih frekvenc je posledica fizične narave elastičnih valov, ki se lahko širijo samo v materialnem mediju, tj. pod pogojem, da je valovna dolžina veliko večja od srednje proste poti molekul v plinu ali medatomskih razdalj v tekočinah in trdnih snoveh. V plinih pri normalnem tlaku je zgornja meja ultrazvočnih frekvenc » 10 9 Hz, v tekočinah in trdnih snoveh doseže mejna frekvenca 10 12 -10 13 Hz. Glede na valovno dolžino in frekvenco ima ultrazvok različne posebnosti sevanja, sprejema, širjenja in uporabe, zato je področje ultrazvočnih frekvenc razdeljeno na tri področja:

· nizke ultrazvočne frekvence (1,5×10 4 - 10 5 Hz);

srednja (10 5 - 10 7 Hz);

visoko (10 7 - 10 9 Hz).

Elastične valove s frekvencami 10 9 - 10 13 Hz običajno imenujemo hiperzvok.

Ultrazvok kot elastični valovi.

Ultrazvočni valovi (neslišni zvok) se po svoji naravi ne razlikujejo od elastičnih valov v slišnem območju. Razmnožuje se samo v plinih in tekočinah vzdolžni valovi in ​​​​v trdnih snoveh - vzdolžni in strižni s.

Širjenje ultrazvoka sledi osnovnim zakonom, ki so skupni akustičnim valovom katerega koli frekvenčnega območja. Osnovni zakoni porazdelitve so zakonitosti odboja in loma zvoka na mejah različnih medijev, uklon in sipanje zvoka ob prisotnosti ovir in nehomogenosti v mediju ter nepravilnosti na mejah, zakoni valovodnega širjenja na omejenih območjih okolja. Pomembno vlogo ima razmerje med zvočno valovno dolžino l in geometrijsko dimenzijo D, to je velikostjo zvočnega vira ali ovire na poti valovanja in velikostjo nehomogenosti medija. Ko je D>>l, se širjenje zvoka v bližini ovir dogaja predvsem v skladu z zakoni geometrijske akustike (lahko uporabite zakone odboja in loma). Stopnja odstopanja od geometrijskega vzorca širjenja in potreba po upoštevanju uklonskih pojavov sta določena s parametrom , kjer je r razdalja od točke opazovanja do predmeta, ki povzroča uklon.

Hitrost širjenja ultrazvočnih valov v neomejenem mediju je določena z lastnostmi elastičnosti in gostote medija. V omejenih medijih na hitrost širjenja valov vplivata prisotnost in narava meja, kar vodi do frekvenčne odvisnosti hitrosti (razpršenost hitrosti zvoka). Zmanjšanje amplitude in intenzitete ultrazvočnega valovanja, ko se širi v dani smeri, to je dušenje zvoka, je tako kot pri valovih katere koli frekvence posledica razhajanja valovne fronte z oddaljenostjo od vira, sipanje in absorpcija zvoka. Pri vseh frekvencah, tako slišnih kot neslišnih, se pojavi tako imenovana "klasična" absorpcija, ki jo povzroča strižna viskoznost (notranje trenje) medija. Poleg tega obstaja še dodatna (sprostitvena) absorpcija, ki pogosto bistveno presega »klasično« absorpcijo.

Pri veliki intenzivnosti zvočnih valov se pojavijo nelinearni učinki:

načelo superpozicije je kršeno in pride do interakcije valov, kar vodi do pojava tonov;

· valovna oblika se spremeni, njen spekter se obogati z višjimi harmoniki in temu primerno se poveča absorpcija;

· ko je dosežena določena vrednost praga ultrazvočne jakosti, pride do kavitacije v tekočini (glej spodaj).

Kriterij za uporabnost zakonov linearne akustike in možnost zanemaritve nelinearnih učinkov je: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Parameter M imenujemo "Machovo število".

Posebnosti ultrazvoka

Čeprav so fizična narava ultrazvoka in osnovni zakoni, ki določajo njegovo širjenje, enaki kot pri zvočnih valovih katerega koli frekvenčnega območja, ima le-ta številne posebne lastnosti. Te značilnosti so posledica relativno visokih frekvenc v ZDA.

Majhnost valovne dolžine določa lik žarkaširjenje ultrazvočnih valov. V bližini oddajnika se valovi širijo v obliki žarkov, katerih prečna velikost ostaja blizu velikosti oddajnika. Ko tak žarek (US žarek) naleti na velike ovire, se odbije in lomi. Ko žarek zadene majhne ovire, nastane razpršeno valovanje, ki omogoča zaznavanje majhnih nehomogenosti v mediju (razreda desetink in stotink mm). Odboj in sipanje ultrazvoka na nehomogenostih medija omogočata tvorbo v optično neprozornih medijih. zvočne slike predmetov, ki uporabljajo sisteme za fokusiranje zvoka, podobno kot se to počne s svetlobnimi žarki.

Fokusiranje ultrazvoka omogoča ne samo pridobivanje zvočnih slik (sistemi zvočne slike in akustične holografije), temveč tudi osredotočiti zvočna energija. S pomočjo ultrazvočnih sistemov za fokusiranje je mogoče oblikovati vnaprej določene značilnosti usmerjenosti oddajnike in upravljati z njimi.

Periodična sprememba lomnega količnika svetlobnih valov, povezana s spremembo gostote ultrazvočnega valovanja, povzroča uklon svetlobe z ultrazvokom opazovano na ameriških frekvencah v območju megahercev do gigahercev. V tem primeru lahko ultrazvočno valovanje obravnavamo kot uklonsko mrežo.

Najpomembnejši nelinearni učinek v ultrazvočnem polju je kavitacija- pojav v tekočini mase utripajočih mehurčkov, napolnjenih s hlapi, plinom ali njihovo mešanico. Kompleksno gibanje mehurčkov, njihovo zrušitev, zlivanje med seboj itd. ustvarjajo kompresijske impulze (mikroudarne valove) in mikrotokove v tekočini, povzročajo lokalno segrevanje medija, ionizacijo. Ti učinki vplivajo na snov: pride do uničenja trdnih snovi v tekočini ( kavitacijska erozija), pride do mešanja tekočin, sprožijo ali pospešijo se različni fizikalni in kemični procesi. S spreminjanjem pogojev kavitacije je mogoče okrepiti ali oslabiti različne kavitacijske učinke, na primer s povečanjem frekvence ultrazvoka se poveča vloga mikrotokov in zmanjša kavitacijska erozija, s povečanjem tlaka v tekočini pa poveča se vloga mikrovpliva. Povečanje frekvence vodi do povečanja mejne intenzivnosti, ki ustreza začetku kavitacije, ki je odvisna od vrste tekočine, vsebnosti plina v njej, temperature itd. Za vodo pri atmosferskem tlaku je običajno 0,3–1,0 W/cm 2. Kavitacija je kompleksen sklop pojavov. Ultrazvočni valovi, ki se širijo v tekočini, tvorijo izmenjujoča se področja visokih in nizkih tlakov, kar ustvarja območja visoke kompresije in območja redčenja. V redkem območju se hidrostatični tlak zmanjša do te mere, da postanejo sile, ki delujejo na molekule tekočine, večje od sil medmolekularne kohezije. Zaradi ostre spremembe hidrostatičnega ravnovesja se tekočina "razbije", pri čemer nastanejo številni drobni mehurčki plinov in hlapov. V naslednjem trenutku, ko se v tekočini začne obdobje visokega tlaka, se prej nastali mehurčki sesedejo. Proces kolapsa mehurčkov spremlja nastanek udarnih valov z zelo visokim lokalnim trenutnim tlakom, ki doseže nekaj sto atmosfer.

Stochnikov in sprejemniki ultrazvoka.

V naravi najdemo US tako kot sestavni del številnih naravnih šumov (v šumu vetra, slapa, dežja, v šumu kamenčkov, ki jih kotali morski val, v zvokih, ki spremljajo razelektritve strele itd.), in med zvoki živalskega sveta. Nekatere živali uporabljajo ultrazvočne valove za zaznavanje ovir, orientacijo v prostoru.

Ultrazvočne oddajnike lahko razdelimo v dve veliki skupini. Prvi vključuje oddajnike-generatorje; nihanja v njih so vzbujena zaradi prisotnosti ovir na poti stalnega toka - curka plina ali tekočine. Druga skupina oddajnikov so elektroakustični pretvorniki; že podana nihanja električne napetosti ali toka pretvorijo v mehansko nihanje trdnega telesa, ki oddaja zvočne valove v okolico.

mehanski oddajniki.

Pri oddajnikih prve vrste (mehanski) se kinetična energija curka (tekočine ali plina) preoblikuje v zvočno energijo zaradi periodične prekinitve curka (sirene), ko teče v ovire različnih vrst ( plinski generatorji, piščalke).

Ultrazvočna sirena - dva diska z velikim številom lukenj, nameščenih v komori (slika 1).

Zrak, ki vstopa v komoro pod visokim pritiskom, izstopa skozi odprtine obeh diskov. Ko se disk rotorja (3) vrti, bodo njegove luknje sovpadale z luknjami fiksnega diska statorja (2) samo v določenih časovnih točkah. Posledično se bodo pojavili utripi zraka. Večja kot je hitrost rotorja, višja je frekvenca pulziranja zraka, ki je določena s formulo:

kjer je N število lukenj, enakomerno porazdeljenih po obodu rotorja in statorja; w je kotna hitrost rotorja.

Tlak v komori sirene je običajno od 0,1 do 5,0 kgf / cm 2. Zgornja meja frekvence ultrazvoka, ki ga oddajajo sirene, ne presega 40¸50 kHz, vendar so znane izvedbe z zgornjo mejo 500 kHz. Učinkovitost generatorjev ne presega 60%. Ker so vir zvoka, ki ga oddaja sirena, impulzi plina, ki izteka iz lukenj, je frekvenčni spekter siren določen z obliko teh impulzov. Za pridobitev sinusoidnih nihanj se uporabljajo sirene z okroglimi luknjami, katerih razdalje so enake njihovemu premeru. Pri pravokotnih luknjah, ki so med seboj oddaljene za širino luknje, je oblika impulza trikotna. V primeru uporabe več rotorjev (vrtljivih z različnimi hitrostmi) z luknjami, ki so neenakomerno nameščene in različnih oblik, lahko dobite signal hrupa. Zvočna moč siren lahko doseže več deset kW. Če vato položimo v polje sevanja močne sirene, se vname, jekleni ostružki pa se segrejejo.

Načelo delovanja generatorja ultrazvočne piščalke je skoraj enako kot navadna policijska piščalka, vendar so njene dimenzije veliko večje. Zračni tok se z veliko hitrostjo lomi ob oster rob notranje votline generatorja, kar povzroča nihanje s frekvenco, ki je enaka lastni frekvenci resonatorja. Z uporabo takega generatorja je mogoče ustvariti nihanja s frekvenco do 100 kHz pri relativno nizki moči. Za pridobitev velike moči se uporabljajo plinski generatorji, pri katerih je stopnja odtoka plina večja. Tekočinski generatorji se uporabljajo za oddajanje ultrazvoka v tekočino. V tekočih generatorjih (slika 2) dvostranska konica služi kot resonančni sistem, v katerem se vzbujajo upogibne vibracije.

Curek tekočine, ki z veliko hitrostjo zapušča šobo, se zlomi na ostrem robu plošče, na obeh straneh katere nastanejo turbulence, ki povzročajo visokofrekvenčne spremembe tlaka.

Za delovanje tekočega (hidrodinamičnega) generatorja je potreben presežni tlak tekočine 5 kg/cm 2. frekvenca nihanja takega generatorja je določena z razmerjem:

kjer je v hitrost tekočine, ki teče iz šobe; d je razdalja med konico in šobo.

Hidrodinamični sevalci v tekočini zagotavljajo relativno poceni ultrazvočno energijo na frekvencah do 30-40 kHz z intenziteto v neposredni bližini sevalnika do nekaj W/cm 2 .

Mehanski oddajniki se uporabljajo v nizkofrekvenčnem območju ultrazvoka in v območju zvočnih valov. So razmeroma preprosti v zasnovi in ​​delovanju, njihova izdelava ni draga, vendar ne morejo ustvariti monokromatskega sevanja in poleg tega oddajajo signale strogo določene oblike. Za takšne radiatorje je značilna nestabilnost frekvence in amplitude, vendar imajo pri sevanju v plinastih medijih relativno visoko učinkovitost in moč sevanja: njihova učinkovitost se giblje od nekaj% do 50%, moč od nekaj vatov do deset kW.

Elektroakustični pretvorniki.

Oddajniki druge vrste temeljijo na različnih fizičnih učinkih elektromehanske transformacije. Praviloma so linearni, to pomeni, da reproducirajo vzbujevalni električni signal v obliki. V nizkofrekvenčnem ultrazvočnem območju, elektrodinamični oddajniki in oddajniki magnetostrikcijski pretvorniki in piezoelektrični pretvorniki. Najpogosteje uporabljeni oddajniki so magnetostrikcijski in piezoelektrični.

Leta 1847 je Joule opazil, da feromagnetni materiali, postavljeni v magnetno polje, spreminjajo svoje dimenzije. Ta pojav je bil imenovan magnetostrikcijski učinek. Če izmenični tok prehaja skozi navitje, ki je nameščeno na feromagnetni palici, se pod vplivom spreminjajočega se magnetnega polja palica deformira. Nikljeva jedra se za razliko od železnih v magnetnem polju skrajšajo. Ko skozi navitje oddajnika teče izmenični tok, se njegova palica deformira v eno smer za katero koli smer magnetnega polja. Zato bo frekvenca mehanskih nihanj dvakrat večja od frekvence izmeničnega toka.

Da bi frekvenca nihanja oddajnika ustrezala frekvenci vzbujalnega toka, se na navitje oddajnika privede konstantna polarizacijska napetost. Polariziran oddajnik poveča amplitudo spremenljive magnetne indukcije, kar vodi do povečanja deformacije jedra in povečanja moči.

Magnetostrikcijski učinek se uporablja pri izdelavi ultrazvočnih magnetostrikcijskih pretvornikov (slika 3).

Te pretvornike odlikujejo velike relativne deformacije, povečana mehanska trdnost in nizka občutljivost na temperaturne vplive. Magnetostrikcijski pretvorniki imajo nizke vrednosti električnega upora, zaradi česar za pridobitev visoke moči niso potrebne visoke napetosti.

Najpogosteje se uporabljajo pretvorniki niklja (visoka odpornost proti koroziji, nizka cena). Magnetostrikcijska jedra so lahko izdelana tudi iz feritov. Feriti imajo visoko upornost, zaradi česar so izgube zaradi vrtinčnih tokov v njih zanemarljive. Vendar je ferit krhek material, zaradi česar obstaja nevarnost preobremenitve pri visoki moči. Učinkovitost magnetostrikcijskih pretvornikov pri sevanju v tekočine in trdne snovi je 50–90 %, jakost sevanja pa doseže več deset W/cm 2 .

Leta 1880 sta ga odprla brata Jacques in Pierre Curie piezoelektrični učinek - če se kremenčeva plošča deformira, se na njenih ploskvah pojavijo električni naboji, nasprotni po znaku. Opažen je tudi nasprotni pojav - če se električni naboj pripelje do elektrod kremenčeve plošče, se bodo njegove dimenzije zmanjšale ali povečale glede na polarnost dobavljenega naboja. Ko se predznaki privedene napetosti spremenijo, se bo kvarčna plošča skrčila ali razširila, to pomeni, da bo nihala v času s spremembami predznakov privedene napetosti. Sprememba debeline plošče je sorazmerna z uporabljeno napetostjo.

Načelo piezoelektričnega učinka se uporablja pri izdelavi oddajnikov ultrazvočnih nihanj, ki pretvarjajo električne vibracije v mehanske. Kot piezoelektrični materiali se uporabljajo kremen, barijev titanat, amonijev fosfat.

Učinkovitost piezoelektričnih pretvornikov doseže 90 %, jakost sevanja je več deset W/cm 2 . Za povečanje intenzivnosti in amplitude vibracij, ultrazvok koncentratorji. V območju srednjih ultrazvočnih frekvenc je koncentrator fokusiralni sistem, najpogosteje v obliki konkavnega piezoelektričnega pretvornika, ki oddaja konvergentno valovanje. V žarišču takih koncentratorjev se doseže intenziteta 10 5 -10 6 W/cm 2.

Ultrazvočni sprejemniki.

Kot ultrazvočni sprejemniki pri nizkih in srednjih frekvencah se najpogosteje uporabljajo elektroakustični pretvorniki piezoelektričnega tipa. Takšni sprejemniki omogočajo reprodukcijo oblike zvočnega signala, to je časovne odvisnosti zvočnega tlaka. Glede na pogoje uporabe so sprejemniki resonančni ali širokopasovni. Za pridobitev časovno povprečnih karakteristik zvočnega polja se uporabljajo toplotni sprejemniki zvoka v obliki termočlenov ali termistorjev, prevlečenih s snovjo, ki absorbira zvok. Intenzivnost in zvočni tlak je mogoče oceniti tudi z optičnimi metodami, na primer z uklonom svetlobe na ultrazvoku.

Uporaba ultrazvoka.

Raznolike uporabe ultrazvoka, pri katerih se uporabljajo njegove različne lastnosti, lahko pogojno razdelimo na tri področja. Prvi je povezan s pridobivanjem informacij s pomočjo ultrazvočnih valov, drugi - z aktivnim vplivom na snov, tretji - z obdelavo in prenosom signalov. Za vsako specifično aplikacijo se uporablja ultrazvok določenega frekvenčnega območja (Tabela 1). Pogovorimo se samo o nekaterih od mnogih področij, kjer so ZDA našle uporabo.

Ultrazvočno čiščenje.

Kakovost ultrazvočnega čiščenja je neprimerljiva z drugimi metodami. Na primer, pri izpiranju delov na njihovi površini ostane do 80% onesnaževalcev, pri čiščenju z vibracijami - približno 55%, pri ročnem čiščenju - približno 20%, pri ultrazvočnem čiščenju - ne več kot 0,5%. Poleg tega je dele, ki imajo zapleteno obliko, težko dostopna mesta, mogoče dobro očistiti le s pomočjo ultrazvoka. Posebna prednost ultrazvočnega čiščenja je njegova visoka produktivnost z malo fizičnega dela, možnost zamenjave vnetljivih ali dragih organskih topil z varnimi in poceni vodnimi raztopinami alkalij, tekočega freona itd.

Ultrazvočno čiščenje je kompleksen proces, ki združuje lokalno kavitacijo z delovanjem visokih pospeškov v čistilni tekočini, kar vodi do uničenja kontaminantov. Če je vstavljen kontaminiran del

Tabela 1

Aplikacije			Frekvenca v hertzih
			10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11
Prejemanje informacij	Znanstvena raziskava	v plinih, tekočinah
		v trdnih snoveh	gggggggggggggggg
	O lastnostih in sestavi snovi; o tehnoloških procesih
		v tekočinah
		v trdnih snoveh
	sonar
	ultrazvočno odkrivanje napak
	nadzor velikosti
	Medicinska diagnostika
Vpliv na snov	Aerosolna koagulacija
	Vpliv na izgorevanje
	Vpliv na kemične procese
	emulgiranje
	disperzija
	škropljenje
	Kristalizacija
	Metalizacija, spajkanje
	Mehanska obnova
	Plastična deformacija
	Operacija
Zdravljenje signali	zakasnilne črte
	Akustično-optične naprave
	Pretvorniki signalov v akustoelektroniki

tekočino in obsevamo z ultrazvokom, nato pa pod delovanjem udarnega vala kavitacijskih mehurčkov površino dela očistimo umazanije.

Resen problem je boj proti onesnaženosti zraka s prahom, dimom, sajami, kovinskimi oksidi itd. Ultrazvočno metodo čiščenja plina in zraka je mogoče uporabiti v obstoječih plinskih odvodih, ne glede na temperaturo in vlažnost okolja. Če ultrazvočni oddajnik postavite v komoro za usedanje prahu, se njegova učinkovitost poveča stokrat. Kaj je bistvo ultrazvočnega čiščenja zraka? Prašni delci, ki se naključno gibljejo v zraku, se pod vplivom ultrazvočnih tresljajev pogosteje in močneje udarjajo drug ob drugega. Hkrati se združijo in njihova velikost se poveča. Proces povečevanja delcev imenujemo koagulacija. Povečane in obtežene delce ujamejo posebni filtri.

Obdelava superhard

in krhki materiali.

Če se med delovno površino ultrazvočnega orodja in obdelovancem vnese abrazivni material, bodo med delovanjem oddajnika delci abraziva vplivali na površino obdelovanca. Material se med obdelavo uniči in odstrani pod vplivom velikega števila usmerjenih mikrošokov (slika 4).

Kinematika ultrazvočne obdelave je sestavljena iz glavnega gibanja - rezanja, tj. vzdolžne vibracije orodja in pomožno gibanje - gibanje podajalnika. Vzdolžne vibracije so vir energije abrazivnih zrn, ki povzročajo uničenje materiala, ki se obdeluje. Pomožno gibanje - podajalno gibanje - je lahko vzdolžno, prečno in krožno. Ultrazvočna obdelava zagotavlja večjo natančnost - od 50 do 1 mikrona, odvisno od velikosti zrn abraziva. Z orodji različnih oblik lahko naredite ne le luknje, ampak tudi zapletene reze. Poleg tega lahko režete ukrivljene osi, izdelujete matrice, brusite, gravirate in celo vrtate diamant. Materiali, ki se uporabljajo kot abraziv, so diamant, korund, kremen, kremenčev pesek.

ultrazvočno varjenje.

Od obstoječih metod nobena ni primerna za varjenje različnih kovin ali ko je treba tanke plošče variti na debele dele. V tem primeru je ultrazvočno varjenje nepogrešljivo. Včasih se imenuje hladno, ker so deli povezani v hladnem stanju. Končne predstave o mehanizmu nastanka spojev med ultrazvočnim varjenjem ni. V procesu varjenja se po vnosu ultrazvočnih vibracij med varjenimi ploščami oblikuje plast visoko duktilne kovine, ki se zelo enostavno vrti okoli navpične osi pod katerim koli kotom. Toda takoj, ko se ultrazvočno sevanje ustavi, pride do trenutnega "zaseg" plošč.

Ultrazvočno varjenje poteka pri temperaturi, ki je precej nižja od tališča, zato so deli spojeni v trdnem stanju. S pomočjo ultrazvoka je mogoče variti številne kovine in zlitine (baker, molibden, tantal, titan, številna jekla). Najboljše rezultate dosežemo pri varjenju tankih plošč iz različnih kovin in pri varjenju tankih plošč na debele dele. Pri ultrazvočnem varjenju se lastnosti kovine v območju varjenja minimalno spremenijo. Zahteve glede kakovosti za pripravo površine so veliko nižje kot pri drugih metodah varjenja. Ultrazvočno varjenje je primerno za nekovinske materiale (plastika, polimeri)

Ultrazvočno spajkanje in kositranje.

V industriji postaja vse bolj pomembno ultrazvočno spajkanje in kositranje aluminija, nerjavnega jekla in drugih materialov. Težava spajkanja aluminija je v tem, da je njegova površina vedno prekrita z ognjevzdržnim filmom aluminijevega oksida, ki nastane skoraj v trenutku, ko pride kovina v stik z atmosferskim kisikom. Ta film preprečuje, da bi staljena spajka prišla v stik z aluminijasto površino.

Trenutno je ena najučinkovitejših metod za spajkanje aluminija ultrazvok, spajkanje z uporabo ultrazvoka se izvaja brez fluksa. Vnos mehanskih vibracij ultrazvočne frekvence v staljeno spajko med postopkom spajkanja prispeva k mehanskemu uničenju oksidnega filma in olajša omočenje površine s spajkalom.

Načelo ultrazvočnega spajkanja aluminija je naslednje. Med spajkalnikom in delom se ustvari plast tekoče staljene spajke. Pod delovanjem ultrazvočnih vibracij se v spajkah pojavi kavitacija, ki uniči oksidni film. Pred spajkanjem se deli segrejejo na temperaturo nad tališčem spajke. Velika prednost metode je, da se lahko uspešno uporablja za spajkanje keramike in stekla.

Pospešitev proizvodnih procesov

z uporabo ultrazvoka.

¾ Z uporabo ultrazvoka lahko bistveno pospešimo mešanje različnih tekočin in pridobimo stabilne emulzije (tudi takšne kot so voda in živo srebro).

¾ Z vplivom ultrazvočnih vibracij visoke intenzivnosti na tekočine je mogoče dobiti fino razpršene aerosole visoke gostote.

¾ Relativno pred kratkim so ZDA začeli uporabljati za impregnacijo izdelkov za električno navijanje. Uporaba US omogoča zmanjšanje časa impregnacije za 3-5 krat in zamenjavo 2-3-kratne enkratne impregnacije.

¾ Pod delovanjem ultrazvoka se proces galvanskega nanašanja kovin in zlitin bistveno pospeši.

¾ Če se v staljeno kovino vnesejo ultrazvočne vibracije, se zrno opazno zdrobi in poroznost se zmanjša.

¾ Ultrazvok se uporablja pri obdelavi kovin in zlitin v trdnem stanju, kar vodi do "rahljanja" strukture in njihovega umetnega staranja.

¾ US pri stiskanju kovinskih praškov zagotavlja izdelavo stisnjenih izdelkov večje gostote in dimenzijske stabilnosti.

Ultrazvočno odkrivanje napak.

Ultrazvočna detekcija napak je ena od metod neporušitvenega testiranja. Lastnost ultrazvočnega širjenja v homogenem mediju usmerjeno in brez znatnega slabljenja ter skoraj popolnega odboja na meji med dvema medijema (na primer kovina - zrak) je omogočila uporabo ultrazvočnih vibracij za odkrivanje napak (votline, razpoke, delaminacije, itd.) v kovinskih delih, ne da bi jih uničili.

S pomočjo ultrazvoka je mogoče preveriti velike dele, saj globina prodiranja ultrazvoka v kovino doseže 8¸10 m, poleg tega pa lahko ultrazvok zazna zelo majhne napake (do 10 -6 mm).

Ultrazvočni detektorji napak omogočajo odkrivanje ne le nastalih napak, temveč tudi določitev trenutka povečane utrujenosti kovine.

Obstaja več metod ultrazvočnega odkrivanja napak, od katerih so glavne senčna, impulzna, resonančna, strukturna analiza, ultrazvočna vizualizacija.

Senčna metoda temelji na slabljenju prepuščenih ultrazvočnih valov ob prisotnosti napak znotraj dela, ki ustvarja ultrazvočno senco. Ta metoda uporablja dva pretvornika. Eden od njih oddaja ultrazvočne vibracije, drugi jih sprejema (slika 5). Senčna metoda je neobčutljiva, napako je mogoče zaznati, če je sprememba signala, ki jo povzroči, vsaj 15–20 %. Bistvena pomanjkljivost senčne metode je, da ne omogoča ugotavljanja, na kateri globini je napaka.

Impulzna metoda ultrazvočne detekcije napak temelji na pojavu odboja ultrazvočnih valov. Načelo delovanja impulznega detektorja napak je prikazano na sl. 6. Visokofrekvenčni generator generira kratkotrajne impulze. Impulz, ki ga pošlje oddajnik, se odbije, vrne nazaj v pretvornik, ki takrat dela za sprejem. Iz pretvornika se signal napaja v ojačevalnik in nato na odklonske plošče katodne cevi. Za pridobitev slike merilnih in odbitih impulzov na zaslonu cevi je na voljo generator pomika. Delovanje visokofrekvenčnega generatorja krmili sinhronizator, ki generira visokofrekvenčne impulze na določeni frekvenci. Frekvenco pošiljanja impulzov lahko spremenite tako, da odbiti impulz prispe do pretvornika, preden je poslan naslednji impulz.

Impulzna metoda omogoča pregled izdelkov z enostranskim dostopom do njih. Metoda ima povečano občutljivost, opazimo odboj celo 1% ultrazvočne energije. Prednost pulzne metode je tudi v tem, da vam omogoča, da ugotovite, na kateri globini se nahaja okvara.

Ultrazvok v radijski elektroniki.

V radijski elektroniki je pogosto potrebno zakasniti en električni signal glede na drugega. Znanstveniki so našli uspešno rešitev s predlaganjem ultrazvočnih zakasnitvenih črt (LZ). Njihovo delovanje temelji na pretvorbi električnih impulzov v impulze ultrazvočnih mehanskih nihanj, katerih hitrost širjenja je veliko manjša od hitrosti širjenja elektromagnetnih nihanj. Po obratni transformaciji mehanskih vibracij v električne impulze bo napetost na izhodu linije zakasnjena glede na vhodni impulz.

Za pretvorbo električnih nihanj v mehanske in obratno se uporabljajo magnetostrikcijski in piezoelektrični pretvorniki. V skladu s tem so LZ razdeljeni na magnetostrikcijske in piezoelektrične.

Magnetostrikcijska LZ je sestavljena iz vhodnih in izhodnih pretvornikov, magnetov, akustičnega kanala in absorberjev.

Vhodni pretvornik je sestavljen iz tuljave, skozi katero teče tok vhodnega signala, odseka zvočnega kanala iz magnetostriktivnega materiala, v katerem se pojavljajo mehanske vibracije ultrazvočne frekvence, in magneta, ki ustvarja konstantno magnetizacijo cone pretvorbe. . Izhodni pretvornik na napravi se skoraj ne razlikuje od vhodnega.

Zvočni kanal je palica iz magnetostriktivnega materiala, v kateri se vzbujajo ultrazvočne vibracije, ki se širijo s hitrostjo približno 5000 m/s. za zakasnitev impulza, na primer za 100 µs, mora biti dolžina zvočnega kanala približno 43 cm, magnet pa je potreben za ustvarjanje začetne magnetne indukcije in pristranskosti območja pretvorbe.

Načelo delovanja magnetostriktivnega DL temelji na spreminjanju velikosti feromagnetnih materialov pod vplivom magnetnega polja. Mehanska motnja, ki jo povzroči magnetno polje tuljave vhodnega pretvornika, se prenaša skozi klicno linijo in, ko doseže tuljavo izhodnega pretvornika, inducira v njem elektromotorno silo.

Piezoelektrični LZ so razporejeni na naslednji način. Na poti električnega signala je postavljen piezoelektrični pretvornik (kremenčeva plošča), ki je togo povezan s kovinsko palico (zvočni kanal). Drugi piezoelektrični pretvornik je pritrjen na drugi konec palice. Signal, ki se približuje vhodnemu pretvorniku, povzroči mehanske vibracije ultrazvočne frekvence, ki se nato širijo v zvočnem kanalu. Ko dosežejo drugi pretvornik, se ultrazvočne vibracije ponovno pretvorijo v električne. Ker pa je hitrost širjenja ultrazvoka v zvočnem kanalu veliko manjša od hitrosti širjenja električnega signala, signal, na poti katerega je bil zvočni kanal, zaostaja za drugim za količino, ki je enaka razliki v hitrosti širjenja ultrazvočnih in elektromagnetnih signalov na določenem območju.

Ultrazvok v medicini.

Uporaba ultrazvoka za aktivni vpliv na živi organizem v medicini temelji na učinkih, ki nastanejo v bioloških tkivih, ko ultrazvočni valovi prehajajo skozi njih. Nihanje delcev medija v valu povzroči nekakšno mikromasažo tkiv, absorpcijo ultrazvoka - njihovo lokalno segrevanje. Hkrati se pod vplivom ultrazvoka v bioloških medijih pojavijo fizikalno-kemijske transformacije. Pri zmerni jakosti zvoka ti pojavi ne povzročijo nepopravljive škode, ampak le izboljšajo presnovo in s tem prispevajo k vitalni aktivnosti telesa. Ti pojavi se uporabljajo pri ultrazvoku terapija(ultrazvočna jakost do 1 W/cm2) . Pri visokih intenzitetah močno segrevanje in kavitacija povzročita uničenje tkiva. Ta učinek se uporablja pri ultrazvočnem zavijanju operacija. Za kirurške posege se uporablja fokusirani ultrazvok, ki omogoča lokalno destrukcijo v globokih strukturah, kot so možgani, brez poškodb okolnih tkiv (intenziteta ultrazvoka doseže stotine in celo tisoče W/cm2). V kirurgiji se uporabljajo tudi ultrazvočni instrumenti, katerih delovni del izgleda kot skalpel, pila, igla itd. Uvedba ultrazvočnih vibracij na takšne instrumente, ki so običajni za kirurgijo, jim daje nove lastnosti, ki znatno zmanjšajo potreben napor in posledično travmatičnost operacije; poleg tega se kaže hemostatski in analgetični učinek. Za uničenje nekaterih neoplazem se uporablja kontaktno delovanje s topim ultrazvočnim instrumentom.

Vpliv močnega ultrazvoka na biološka tkiva uporabljamo za uničevanje mikroorganizmov pri sterilizaciji medicinskih instrumentov in zdravilnih učinkovin.

Ultrazvok je našel uporabo v zobozdravstveni praksi za odstranjevanje zobnega kamna. Omogoča neboleče, nekrvavo in hitro odstranjevanje zobnega kamna in oblog z zob. Ob tem se ustna sluznica ne poškoduje in »žepi« votline so razkuženi, pacient pa namesto bolečine občuti toploto.

Literatura.

1. I.P. Golyamina. Ultrazvok. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1979.

2. I.G. Khorbenko. V svetu neslišnih zvokov. - M .: Mašinostrojenje, 1971.

3. V.P. Severdenko, V.V. Klubovich. Uporaba ultrazvoka v industriji. - Minsk: Znanost in tehnologija, 1967.

Akustična sprostitev - notranji procesi ponovne vzpostavitve termodinamičnega ravnovesja medija, ki ga moti stiskanje in redčenje v ultrazvočnem valu. V skladu s termodinamičnim načelom enakomerne porazdelitve energije po prostostnih stopnjah energija translacijskega gibanja v zvočnem valu prehaja na notranje prostostne stopnje, jih vzbuja, zaradi česar se energija translacijskega gibanja zmanjša. Zato sprostitev vedno spremlja absorpcija zvoka, pa tudi disperzija hitrosti zvoka.

V monokromatskem valu se sprememba nihajoče vrednosti W v času pojavi po sinusnem ali kosinusnem zakonu in je v vsaki točki opisana s formulo: .

Poznamo dve vrsti magnetostrikcije: linearno, pri kateri se geometrijske dimenzije telesa spreminjajo v smeri uporabljenega polja, in volumetrično, pri kateri se geometrijske dimenzije telesa spreminjajo v vse smeri. Linearno magnetostrikcijo opazimo pri veliko nižjih jakostih polja kot množično magnetostrikcijo. Zato se linearna magnetostrikcija praktično uporablja v magnetostrikcijskih pretvornikih.

Termistor je upor, katerega upor je odvisen od temperature. Termočlen je dva vodnika iz različnih kovin, povezana skupaj. Na koncih vodnikov nastane emf sorazmerno s temperaturo.

Ultrazvok so zvočni valovi s frekvenco, ki je človeško uho ne zazna, običajno nad 20.000 hercev.

V naravnem okolju lahko ultrazvok nastane v različnih naravnih zvokih (slap, veter, dež). Mnogi predstavniki favne uporabljajo ultrazvok za orientacijo v prostoru (netopirji, delfini, kiti)

Vire ultrazvoka lahko razdelimo v dve veliki skupini.

1. Radiatorji-generatorji - nihanja v njih so vzbujena zaradi prisotnosti ovir na poti stalnega toka - curka plina ali tekočine.
2. elektroakustični pretvorniki; že podana nihanja električne napetosti ali toka pretvorijo v mehansko nihanje trdnega telesa, ki oddaja zvočne valove v okolico.

Veda o ultrazvoku je relativno mlada. Konec 19. stoletja je ruski znanstvenik - fiziolog P. N. Lebedev prvič izvedel raziskavo ultrazvoka.

Trenutno je uporaba ultrazvoka precej velika. Ker je ultrazvok precej enostavno usmeriti v koncentriran "žarek", se uporablja na različnih področjih: uporaba temelji na različnih lastnostih ultrazvoka.

Običajno obstajajo tri področja uporabe ultrazvoka:

1. Prenos in obdelava signala
2. Pridobivanje različnih informacij z ultrazvočnimi valovi
3. Vpliv ultrazvoka na snov.

V tem članku se bomo dotaknili le majhnega dela možnosti uporabe ultrazvoka.

1. Zdravilo. Ultrazvok se uporablja tako v zobozdravstvu kot v kirurgiji, uporablja pa se tudi za ultrazvočne preiskave notranjih organov.
2. Čiščenje z ultrazvokom. To še posebej jasno dokazuje primer centra ultrazvočne opreme PSB-Hals. Še posebej lahko razmislite o uporabi ultrazvočnih kopeli http://www.psb-gals.ru/catalog/usc.html, ki se uporabljajo za čiščenje, mešanje, mešanje, mletje, razplinjevanje tekočin, pospeševanje kemičnih reakcij, pridobivanje surovin materialov, pridobivanje stabilnih emulzij itd.
3. Obdelava krhkih ali super trdih materialov. Preoblikovanje materialov poteka skozi številne mikrosunke

To je le najmanjši del uporabe ultrazvočnih valov. Če vas zanima - pustite komentarje in podrobneje bomo razkrili temo.

Ultrazvok imenujemo elastični valovi (valovi, ki se širijo v tekočih, trdnih in plinastih medijih zaradi delovanja elastičnih sil), katerih frekvenca je zunaj območja, ki ga človek sliši - od približno 20 kHz in več.

Uporabne lastnosti ultrazvočnih valov

In čeprav ima ultrazvok fizično enako naravo kot slišni zvok, le pogojno se razlikuje (višja frekvenca), je ultrazvok prav zaradi višje frekvence uporaben na številnih uporabnih področjih. Torej pri merjenju hitrosti ultrazvoka v trdni, tekoči ali plinasti snovi dobimo zelo majhne napake pri spremljanju hitrih procesov, pri določanju specifične toplotne kapacitete (plin), pri merjenju elastičnih konstant trdnih snovi.

Visoka frekvenca pri majhnih amplitudah omogoča doseganje povečanih gostot energijskega toka, saj je energija elastičnega vala sorazmerna s kvadratom njegove frekvence. Poleg tega ultrazvočni valovi ob pravilni uporabi omogočajo številne zelo posebne akustične učinke in pojave.

Eden od teh nenavadnih pojavov je akustična kavitacija, ki se pojavi, ko je močan ultrazvočni val usmerjen v tekočino. V tekočini začnejo v polju delovanja ultrazvoka drobni mehurčki pare ali plina (submikroskopske velikosti) rasti do delcev milimetrov v premeru, pri tem pa utripajo s frekvenco valovanja in se v pozitivni fazi tlaka sesedejo.

Mehurček, ki se zruši, ustvari impulz lokalnega visokega tlaka, merjen v tisočih atmosferah, ki postane vir udarnih sferičnih valov. Akustični mikrotoki, ki nastanejo v bližini takih utripajočih mehurčkov, so bili uporabni za izdelavo emulzij, čiščenje delov itd.

S fokusiranjem ultrazvoka dobimo zvočne slike v akustični holografiji, v sistemih za zvočni vid pa zvočno energijo koncentriramo, da se tvori usmerjeno sevanje z danimi in nadzorovanimi smernimi karakteristikami.

Z uporabo ultrazvočnega valovanja kot uklonske mreže za svetlobo je možno spreminjati lomne količnike svetlobe za različne namene, saj se gostota v ultrazvočnem valu, tako kot v elastičnem valu, načeloma periodično spreminja.

Na koncu še značilnosti, povezane s hitrostjo širjenja ultrazvoka. V anorganskih medijih se ultrazvok širi s hitrostjo, ki je odvisna od elastičnosti in gostote medija.

Kar zadeva organske medije, tukaj meje in njihova narava vplivajo na hitrost, to je, da je fazna hitrost odvisna od frekvence (disperzije). Ultrazvok oslabi z odstranitvijo fronte valov od vira - fronta se razhaja, ultrazvok se razprši, absorbira.

Notranje trenje medija (strižna viskoznost) povzroči klasično absorpcijo ultrazvoka, poleg tega relaksacijska absorpcija ultrazvoka presega klasično. V plinu ultrazvok oslabi močneje, v trdnih snoveh in tekočinah - veliko šibkeje. V vodi na primer razpada 1000-krat počasneje kot v zraku. Tako so industrijska področja uporabe ultrazvoka skoraj v celoti povezana s trdnimi in tekočimi telesi.

Ultrazvok pri eholokaciji in sonarju (prehrana, obramba, rudarstvo)

Prvi prototip sonarja je leta 1912 ustvaril ruski inženir Shilovsky skupaj s francoskim fizikom Langevinom, da bi preprečil trke ladij v ledene ploskve in ledene gore.

Naprava je uporabljala princip odboja in sprejema zvočnega valovanja. Signal je bil poslan na določeno točko in po zakasnitvi odzivnega signala (odmeva), ob poznavanju hitrosti zvoka, je bilo mogoče oceniti razdaljo do ovire, ki odbija zvok.

Shilovsky in Langevin sta začela poglobljeno preučevati hidroakustiko in kmalu ustvarila napravo, ki je bila sposobna zaznati sovražne podmornice v Sredozemskem morju na razdalji do 2 kilometrov. Vsi sodobni sonarji, tudi vojaški, so potomci iste naprave.

Sodobni zvočniki za preučevanje reliefa dna so sestavljeni iz štirih blokov: oddajnika, sprejemnika, pretvornika in zaslona. Funkcija oddajnika je pošiljanje ultrazvočnih impulzov (50 kHz, 192 kHz ali 200 kHz) globoko v vodo, ki se v vodi širijo s hitrostjo 1,5 km/s, kjer se odbijajo od rib, kamnov, drugih predmetov. in dno, potem odmev doseže sprejemnik, se obdela s pretvornikom in rezultat se prikaže na zaslonu v obliki, primerni za vizualno zaznavo.

Ultrazvok v elektroniki in elektroenergetiki

Mnoga področja sodobne fizike ne morejo brez ultrazvoka. Fizika trdnih snovi in ​​polprevodnikov ter akustoelektronika je v mnogih pogledih tesno povezana z ultrazvočnimi raziskovalnimi metodami - z učinki pri frekvenci 20 kHz in več. Tu zavzema posebno mesto akustoelektronika, kjer ultrazvočni valovi interagirajo z električnimi polji in elektroni znotraj trdnih teles.

Volumetrični ultrazvočni valovi se uporabljajo na zakasnitvenih linijah in v kvarčnih resonatorjih za stabilizacijo frekvence v sodobnih radioelektronskih sistemih za obdelavo in prenos informacij. Površinsko akustično valovanje zavzema posebno mesto v pasovnih filtrih za televizijo, v frekvenčnih sintetizatorjih, v napravah za prenos naboja zvočnih valov, v pomnilnikih in napravah za branje slik. Nazadnje, korelatorji in konvolverji pri svojem delu uporabljajo transverzalni akustoelektrični učinek.

Radioelektronika in ultrazvok

Za zakasnitev enega električnega signala glede na drugega so uporabne ultrazvočne zakasnilne črte. Električni impulz se pretvori v pulzno mehansko nihanje ultrazvočne frekvence, ki se širi večkrat počasneje od elektromagnetnega impulza; nato se mehanska vibracija pretvori nazaj v električni impulz in dobi se signal, ki je zakasnjen glede na prvotno uporabljenega.

Za takšno pretvorbo se običajno uporabljajo piezoelektrični ali magnetostrikcijski pretvorniki, zato zakasnilne črte imenujemo piezoelektrične ali magnetostrikcijske.

V piezoelektrični zakasnilni liniji se električni signal nanese na kvarčno ploščo (piezoelektrični pretvornik), ki je togo povezana s kovinsko palico.

Drugi piezoelektrični pretvornik je pritrjen na drugi konec palice. Vhodni pretvornik sprejme signal, ustvari mehanske vibracije, ki se širijo vzdolž palice, in ko vibracije dosežejo palico drugega pretvornika, se ponovno pridobi električni signal.

Hitrost širjenja vibracij vzdolž palice je veliko manjša od hitrosti samo električnega signala, zato je signal, ki je šel skozi palico, zakasnjen glede na vhod za količino, ki je povezana z razliko v hitrosti elektromagnetnih in ultrazvočnih vibracij.

Magnetostriktivni zakasnilni vod vsebuje vhodni pretvornik, magnete, zvočni kanal, izhodni pretvornik in absorberje. Vhodni signal se nanaša na prvo tuljavo, ultrazvočna frekvenčna nihanja - mehanska nihanja - se začnejo v paličnem zvočnem kanalu iz magnetostriktivnega materiala - magnet tukaj ustvarja konstantno pristranskost v območju pretvorbe in začetno magnetno indukcijo.

Ultrazvok v predelovalni industriji (rezanje in varjenje)

Med vir ultrazvoka in del je nameščen abrazivni material (kremenčev pesek, diamant, kamen itd.). Ultrazvok deluje na abrazivne delce, ti pa s frekvenco ultrazvoka zadenejo obdelovanec. Material dela se uniči pod vplivom velikega števila drobnih udarcev abrazivnih zrn - tako poteka obdelava.

Podajalnemu gibanju je dodano rezanje, glavna pa so vzdolžna rezalna nihanja. Natančnost ultrazvočne obdelave je odvisna od velikosti zrn abraziva in doseže 1 mikron. Na ta način se izvajajo kompleksni rezi, ki so potrebni pri izdelavi kovinskih delov, brušenju, graviranju in vrtanju.

Če je treba variti različne kovine (ali celo polimere) ali združiti debel del s tanko ploščo, ultrazvok spet priskoči na pomoč. To je t.i. Pod delovanjem ultrazvoka v območju varjenja kovina postane zelo duktilna, dele je mogoče zelo enostavno vrteti med povezavo pod katerim koli kotom. In vredno je izklopiti ultrazvok - deli se bodo takoj povezali, zasegli.

Posebej je treba omeniti, da varjenje poteka pri temperaturi pod tališčem delov, njihova povezava pa se dejansko pojavi v trdnem stanju. Toda tako se varijo jeklo, titan in celo molibden. Tanke pločevine je najlažje variti. Ta metoda varjenja ne vključuje posebne priprave površine delov, to velja tudi za kovine in polimere.

Ultrazvok v metalurgiji (ultrazvočna odkrivanje napak)

Ultrazvočna detekcija napak je ena najučinkovitejših metod za nadzor kakovosti kovinskih delov brez uničenja. V homogenih medijih se ultrazvok širi usmerjeno brez hitrega slabljenja, zanj pa je značilen odboj na meji medija. Torej se kovinski deli preverijo glede prisotnosti votlin in razpok v njih (vmesnik zrak-kovina) in zazna se povečana utrujenost kovine.

Ultrazvok lahko prodre v del do globine 10 metrov, dimenzije zaznanih napak pa so reda velikosti 5 mm. Obstajajo: senčna, impulzna, resonančna, strukturna analiza, vizualizacija - pet metod ultrazvočnega odkrivanja napak.

Najenostavnejša metoda je ultrazvočno odkrivanje napak v senci, ta metoda temelji na slabljenju ultrazvočnega valovanja, ko naleti na napako pri prehodu skozi del, saj napaka ustvari ultrazvočno senco. Delujeta dva pretvornika: prvi oddaja val, drugi - sprejema.

Ta metoda je neobčutljiva, napako zaznamo le, če njen vpliv spremeni signal za vsaj 15%, prav tako je nemogoče določiti globino, kjer se nahaja napaka v delu. Natančnejše rezultate daje pulzna ultrazvočna metoda, pokaže tudi globino.

Ultrazvok imenujemo elastične vibracije in valovi, katerih frekvence presegajo frekvence zvoka, ki jih zaznava človeško uho. Ta definicija se je razvila zgodovinsko, vendar spodnja meja ultrazvoka, povezana s subjektivnimi občutki osebe, ne more biti jasna, saj nekateri ljudje ne slišijo zvokov s frekvencami 10 kHz, vendar obstajajo ljudje, ki zaznavajo frekvence 25 kHz. Za pojasnitev definicije spodnje meje ultrazvoka od leta 1983 je bilo ugotovljeno, da je enako 11,12 kHz (GOST 12.1.001–83).

Zgornja meja ultrazvoka je posledica fizične narave elastičnih valov, ki se lahko širijo v mediju le, če je valovna dolžina večja od srednje proste poti molekul v plinih ali medatomskih razdalj v tekočinah in trdnih snoveh. Zato je v plinih zgornja meja ultrazvočnih valov (US) določena iz približne enakosti dolžine zvočnega valovanja in povprečne proste poti molekul plina (~10 –6 m), kar daje frekvenco reda 1 GHz (109 Hz). Razdalja med atomi in molekulami v kristalni mreži trdne snovi je približno 10–10 m, če predpostavimo, da je valovna dolžina ultrazvoka enakega reda velikosti, dobimo frekvenco 10–13 Hz. Elastični valovi s frekvencami nad 1 GHz se imenujejo hiperzvočni.

Ultrazvočni valovi se po svoji naravi ne razlikujejo od valov slišnega območja ali infrazvoka, širjenje ultrazvoka pa sledi zakonitostim, ki so skupne vsem akustičnim valovanjem (zakoni odboja, loma, sipanja itd.). Hitrosti širjenja ultrazvočnih valov so približno enake hitrostim slišnega zvoka (glej tabelo 4), zato so valovne dolžine ultrazvočnih valov veliko krajše. Torej, pri razmnoževanju v vodi ( z= 1500 m / s) ultrazvok s frekvenco valovne dolžine 1 MHz l = 1500/10 6 \u003d 1,5 10 -3 m \u003d 1,5 mm. Zaradi kratke valovne dolžine se uklon ultrazvoka pojavi na predmetih, ki so manjši kot pri slišnem zvoku. Zato je v mnogih primerih mogoče uporabiti zakone geometrijske optike za ultrazvok in izdelati ultrazvočne fokusne sisteme: konveksna in konkavna zrcala in leče, ki se uporabljajo za pridobivanje zvočnih slik v sistemih za snemanje zvoka in akustični holografiji. Poleg tega fokusiranje ultrazvoka omogoča koncentracijo zvočne energije, pri čemer dobite visoke intenzivnosti.

Absorpcija ultrazvoka v snovi, tudi v zraku, je zelo pomembna zaradi njegove kratke valovne dolžine. Vendar, tako kot pri navadnem zvoku, dušenje ultrazvoka ne določa le njegova absorpcija, temveč tudi refleksija na vmesnikih medijev, ki se razlikujejo po svoji akustični odpornosti. Ta dejavnik je zelo pomemben pri širjenju ultrazvoka v živih organizmih, katerih tkiva imajo najrazličnejše akustične upore (na primer na mejah mišica - pokostnica - kost, na površinah votlih organov itd.). Ker je zvočni upor bioloških tkiv v povprečju več stokrat večji od zvočnega upora zraka, pride do skoraj popolnega odboja ultrazvoka na meji zrak-tkivo. To povzroča določene težave pri ultrazvočni terapiji, saj je plast zraka le 0,01 mm med vibratorjem in kožo nepremostljiva ovira za ultrazvok. Ker se je nemogoče izogniti zračnim plastem med kožo in oddajnikom, se za zapolnitev nepravilnosti med njimi uporabljajo posebne kontaktne snovi, ki morajo izpolnjevati določene zahteve: imeti zvočno upornost blizu zvočne upornosti kože in oddajnika, nizek koeficient absorpcije ultrazvoka, imajo znatno viskoznost in zmočijo kožo, niso strupeni za telo. Kot kontaktne snovi se običajno uporabljajo vazelinovo olje, glicerin, lanolin in celo voda.

SPREJEM IN REGISTRACIJA ULTRAZVOKA

Za pridobivanje ultrazvoka se uporabljajo mehanski in elektromehanski generatorji.

Mehanski generatorji vključujejo plinske oddajnike in sirene. Pri plinskih curkih (piščalke in membranski generatorji) je vir ultrazvočne energije kinetična energija plinskega curka. Prvi ultrazvočni generator je bila Galtonova piščalka - kratka, na enem koncu zaprta cev z ostrimi robovi, na katero je usmerjen zračni tok iz obročaste šobe. Lomi curka na ostrih koncih cevi povzročajo zračna nihanja, katerih frekvenca je odvisna od dolžine cevi. Galtonove piščalke omogočajo sprejem ultrazvoka s frekvenco do 50 kHz. Zanimivo je, da so podobne piščalke že v prejšnjem stoletju uporabljali divji lovci, ki so lovske pse klicali s signali, ki jih človek ne sliši.

Sirene vam omogočajo sprejem ultrazvoka s frekvenco do 500 kHz. Plinski brizgalni radiatorji in sirene so skoraj edini viri močnih zvočnih nihanj v plinastih medijih, v katere zaradi majhnega zvočnega upora radiatorji s trdno nihajočo površino ne morejo prenesti ultrazvoka visoke intenzivnosti. Pomanjkljivost mehanskih generatorjev je širok razpon frekvenc, ki jih oddajajo, kar omejuje njihovo področje uporabe v biologiji.

Elektromehanski viri ultrazvoka pretvarjajo električno energijo, ki jim jo dovajamo, v energijo akustičnih vibracij. Najbolj razširjeni so piezoelektrični in magnetostrikcijski oddajniki.

Leta 1880 sta francoska znanstvenika Pierre in Jacques Curie odkrila pojav, imenovan piezoelektrični učinek(gr. piezo- pritisnem). Če je na določen način izrezan iz kristalov določenih snovi (kremen, Rochelle sol); ploščo in jo stisnite, potem se bodo na njenih ploskvah pojavili nasprotni električni naboji. Ko stiskanje nadomesti napetost, se predznaki nabojev spremenijo. Piezoelektrični učinek je reverzibilen. To pomeni, da če kristal postavimo v električno polje, se bo raztegnil ali skrčil glede na smer vektorja jakosti električnega polja. V izmeničnem električnem polju se bo kristal pravočasno deformiral s spremembami smeri vektorja jakosti in deloval na okoliško snov kot bat, kar bo povzročilo kompresijo in redčenje, to je longitudinalno akustično valovanje.

Direktni piezoelektrični učinek se uporablja v ultrazvočnih sprejemnikih, v katerih se zvočne vibracije pretvorijo v električne. Če pa se na tak sprejemnik uporabi izmenična napetost ustrezne frekvence, se ta pretvori v ultrazvočne vibracije in sprejemnik deluje kot radiator. Posledično lahko en in isti kristal hkrati služi kot sprejemnik in oddajnik ultrazvoka. Takšna naprava se imenuje ultrazvočni akustični pretvornik (slika). Ker se uporaba ultrazvoka na različnih področjih znanosti, tehnologije, medicine in veterine vsako leto povečuje, je potrebno vse več ultrazvočnih pretvornikov, vendar zaloge naravnega kremena ne morejo zadovoljiti naraščajočega povpraševanja po njem. Kot najprimernejši nadomestek za kremen se je izkazal barijev titanat, ki je amorfna zmes dveh mineralnih snovi - barijevega karbonata in titanovega dioksida. Da dobimo želene lastnosti, amorfno maso segrejemo na visoko temperaturo, pri kateri se zmehča, in postavimo v električno polje. V tem primeru pride do polarizacije dipolnih molekul. Ko se snov ohladi v električnem polju, se molekule fiksirajo v orientacijskem položaju in snov pridobi določen električni dipolni moment. Barijev titanat ima piezoelektrični učinek, ki je 50-krat močnejši od kremena, njegova cena pa je nizka.

Drugi tipski pretvorniki temeljijo na tem pojavu magnetostrikcija(lat. strictura – krčenje). Ta pojav je v tem, da se med magnetizacijo feromagnetna palica stisne ali raztegne, odvisno od smeri magnetizacije. Če palico postavimo v izmenično magnetno polje, se bo njena dolžina sčasoma spreminjala s spremembami električnega toka, ki ustvarja magnetno polje. Deformacija palice ustvari akustično valovanje v okolju.

Za izdelavo magnetostrikcijskih pretvornikov se uporabljajo permendur, nikelj, železo-aluminijeve zlitine - alsiferji. Imajo velike vrednosti relativnih deformacij, visoko mehansko gostoto in manjšo občutljivost na temperaturne vplive.

Obe vrsti pretvornikov se uporabljata v sodobni ultrazvočni opremi. Piezoelektrični se uporabljajo za pridobivanje visokofrekvenčnega ultrazvoka (nad 100 kHz), magnetostriktivni - za pridobivanje ultrazvoka nižje frekvence. Za medicinske in veterinarske namene se običajno uporabljajo generatorji majhne moči (10–20 W) (slika).

INTERAKCIJA ULTRAZVOKA S SNOVJO

Razmislimo, s katerimi parametri nihajnega gibanja je treba opraviti, ko se ultrazvok širi v snovi. Naj emiter ustvari valovanje z intenzivnostjo jaz\u003d 10 5 W / m 2 in frekvenca 10 5 Hz. jaz= 0,5rcA 2 w 2 = 2cA 2 rp 2 n 2. Od tod

Če v formuli nadomestimo vrednosti količin, ki so v njej vključene, dobimo, da je amplituda premika vodnih delcev pod danimi pogoji AMPAK= 0,6 µm. Amplitudna vrednost pospeška vodnih delcev a m = ah 2 \u003d 2 4 10 5 m / s 2, kar je 24.000-krat večje od gravitacijskega pospeška. Najvišja vrednost zvočnega tlaka R a = rcAw\u003d 5,6 10 5 Pa pri 6 atm. Pri fokusiranju ultrazvoka dobimo še višje pritiske.

Pri širjenju ultrazvočnega valovanja v tekočini med razpolovnimi obdobji redčenja nastanejo natezne sile, ki lahko povzročijo pretrganje tekočine na določenem mestu in nastanek mehurčkov, napolnjenih s hlapi te tekočine. Ta pojav se imenuje kavitacija(lat. cavum - praznina). Kavitacijski mehurčki nastanejo, ko natezna napetost v tekočini postane večja od neke kritične vrednosti, imenovane kavitacijski prag. Za čisto vodo je teoretična vrednost praga kavitacije r do\u003d 1,5 10 8 Pa \u003d 1500 atm. Prave tekočine so manj obstojne zaradi dejstva, da vedno vsebujejo kavitacijska jedra - mikroskopske plinske mehurčke, trdne delce z razpokami, napolnjenimi s plinom itd. Na površini mehurčkov se pogosto pojavijo električni naboji. Kolaps kavitacijskih mehurčkov spremlja močno segrevanje njihove vsebine, pa tudi sproščanje plinov, ki vsebujejo atomske in ionizirane komponente. Zaradi tega je snov v kavitacijskem območju izpostavljena intenzivnim vplivom. To se kaže v kavitacijski eroziji, to je v uničenju površine trdnih snovi. Celo tako močne snovi, kot sta jeklo in kremen, se uničijo pod vplivom mikrošokov hidrodinamičnih valov, ki nastanejo pri propadu mehurčkov, da ne omenjamo bioloških predmetov v tekočini, kot so mikroorganizmi. Uporablja se za čiščenje površine kovin pred oblogami, maščobnimi filmi, kot tudi za razprševanje trdnih snovi in ​​pridobivanje emulzij nemešljivih tekočin.

Pri jakosti ultrazvoka manj kot 0,3-10 4 W/m 2 ne pride do kavitacije v tkivih, ultrazvok pa povzroča še vrsto drugih učinkov. Tako se v tekočini pojavijo akustični tokovi ali "zvočni veter", katerih hitrost doseže več deset centimetrov na sekundo. Akustični tokovi mešajo obsevane tekočine in spreminjajo fizikalne lastnosti suspenzij. Če so v tekočini delci, ki imajo nasprotne električne naboje in različne mase, bodo v ultrazvočnem valovanju ti delci odstopali od ravnotežnega položaja na različnih razdaljah in v valovnem polju nastane spremenljiva potencialna razlika (Debyejev učinek). Takšen pojav se zgodi na primer v raztopini kuhinjske soli, ki vsebuje ione H + in 35-krat težje ione C1 -. Pri velikih razlikah v masah lahko Debyejev potencial doseže desetine in stotine mV.

Absorpcijo ultrazvoka s snovjo spremlja prehod mehanske energije v toplotno energijo. Toplota nastaja v območjih, ki mejijo na vmesnik med dvema medijema z različnimi akustičnimi impedancami. Ko se ultrazvok odbije, se intenzivnost valovanja v bližini meje poveča in s tem se poveča količina absorbirane energije. To je enostavno preveriti tako, da oddajnik pritisnete na mokro roko. Kmalu se na nasprotni strani roke pojavi bolečina, podobna bolečini pri opeklini, ki jo povzroči ultrazvok, ki se odbije na meji koža-zrak. Vendar je toplotni učinek ultrazvoka pri intenzitetah, ki se uporabljajo v terapiji, zelo majhen.

V ultrazvočnem polju se lahko pojavijo tako oksidativne kot redukcijske reakcije in celo takšne, ki v normalnih pogojih niso izvedljive. Ena od značilnih reakcij je cepitev molekule vode na radikale H + in OH -, čemur sledi nastanek vodikovega peroksida H 2 O 2 in nekaterih maščobnih kislin. Ultrazvok ima pomemben učinek na nekatere biokemične spojine: molekule aminokislin se odtrgajo od molekul beljakovin, beljakovine so denaturirane itd. Vse te reakcije so očitno stimulirane z ogromnimi pritiski, ki nastanejo pri udarnih kavitacijskih valovih, trenutno pa obstaja še vedno ne obstaja popolna teorija zvočno-kemijskih reakcij.

Ultrazvok povzroči sij vode in nekaterih drugih tekočin (US luminiscenca). Ta sij je zelo šibek in ga običajno posnamejo fotopomnoževalci. Razlog za sijaj je predvsem v tem, da ko se kavitacijski mehurčki sesedejo, pride do močnega adiabatnega segrevanja v njih zaprte pare. Temperatura znotraj mehurčkov lahko doseže 10 4 K, kar povzroči vzbujanje atomov plina in njihovo emisijo svetlobnih kvantov. Intenzivnost ultrazvočne luminiscence je odvisna od količine plina v mehurčku, od lastnosti tekočine in od jakosti ultrazvoka. Ta pojav nosi informacije o naravi in ​​kinetiki procesov, ki se pojavijo, ko je tekočina obsevana z ultrazvokom. Kot sta pokazala V. B. Akopyan in A. I. Zhuravlev, se pri nekaterih boleznih ultrazvoka spremeni luminiscenca številnih bioloških tekočin, kar je lahko osnova za diagnozo teh bolezni.

DELOVANJE ULTRAZVOKA NA BIOLOŠKE OBJEKTE

Ultrazvok, tako kot drugi fizikalni dejavniki, moteče vpliva na žive organizme, kar povzroča prilagoditvene reakcije telesa. Mehanizem motečega delovanja ultrazvoka še ni dovolj raziskan, lahko pa trdimo, da ga določa kombinacija mehanskih, toplotnih in fizikalno-kemijskih učinkov. Učinkovitost teh dejavnikov je odvisna od pogostosti in intenzivnosti ultrazvoka. Zgoraj so bile izračunane vrednosti amplitude akustičnega tlaka in pospeška delcev medija v ultrazvočnem valu, ki so se izkazale za zelo velike, vendar ne dajejo predstave o mehanskih silah na celico. Izračun sil, ki delujejo na celico v ultrazvočnem polju, je izvedel V. B. Akopyan, ki je pokazal, da če ultrazvok s frekvenco 1 MHz in intenzivnostjo 10 4 W/m 2 deluje na celico 5 10 - 5 m, potem največja razlika nateznih in tlačnih sil na nasprotnih koncih celice ne presega 10–13 N. Takšne sile ne morejo opazno vplivati ​​na celico, da ne omenjamo njenega uničenja. Zato natezne in tlačne sile, ki delujejo na celico v ultrazvočnem valu, težko povzročijo otipljive biološke posledice.

Očitno so akustični tokovi, ki vodijo do prenosa snovi in ​​mešanja tekočine, učinkovitejši. Znotraj celice s kompleksno notranjo strukturo lahko mikrotokovi spremenijo medsebojno razporeditev celičnih organelov, premešajo citoplazmo in spremenijo njeno viskoznost, ločijo biološke makromolekule (encime, hormone, antigene) od celičnih membran, spremenijo površinski naboj, membrane in njihove prepustnost, ki vpliva na sposobnost preživetja celic. Če membrane niso poškodovane, se čez nekaj časa makromolekule, ki so prešle v zunajcelični medij ali v citoplazmo, vrnejo nazaj na površino membran, čeprav ni znano, ali pridejo točno na mesta, od koder so bile odtrgane. ven, in če ne, ali to vodi do česa ali do motenj v celični fiziologiji.

Uničenje membrane se pojavi pri dovolj visoki jakosti ultrazvoka, vendar imajo različne celice različno odpornost: nekatere celice so uničene že pri intenziteti reda 0,1 10 4 W / m 2, druge pa prenesejo intenzivnost do 25 10 4 W / m 2 in višji . Praviloma so bolj občutljive celice živalskih tkiv, manj pa rastlinske celice, zaščitene z močno membrano. O različni ultrazvočni odpornosti eritrocitov smo govorili v I. poglavju. Za uničenje bakterij in virusov v tekočini se uporablja ultrazvočno obsevanje z intenzivnostjo nad 0,3·10 4 W/m 2 (tj. nad pragom kavitacije). Tako se uničujejo tifusni in tuberkulozni bacili, streptokoki itd.. Treba je opozoriti, da lahko obsevanje z ultrazvokom z intenzivnostjo, manjšo od praga kavitacije, povzroči povečanje vitalne aktivnosti celic in povečanje števila le-teh. mikroorganizme, ki bodo namesto pozitivnega vpliva povzročili negativnega. Ultrazvok, ki se uporablja v terapiji in diagnostiki, ne povzroča kavitacije v tkivih. To je posledica bodisi namerno nizkih intenzivnosti (od 0,05 do 0,1 W / cm 2) bodisi uporabe intenzivnih (do 1 kW / cm 2), vendar kratkih impulzov (od 1 do 10 μs) za eholokacijo notranjih organov. Tudi v tem primeru časovno povprečna jakost ultrazvoka ni višja od 0,1-10 4 W/m 2 , kar je premalo za nastanek kavitacije.

Ogrevanje tkiv med obsevanjem s terapevtskim ultrazvokom je zelo nepomembno. Tako se pri obsevanju posameznih organov krav na mestu izpostavljenosti ultrazvoku temperatura kože dvigne za največ 1 °C pri jakosti 10 4 W/m 2 . Pri obsevanju z ultrazvokom se toplota večinoma ne sprošča v masi tkiva, temveč na mejah med tkivi z različnimi akustičnimi upornostmi ali v istem tkivu na nehomogenostih njegove strukture. Možno je, da to pojasnjuje dejstvo, da so tkiva s kompleksno strukturo (pljuča) bolj občutljiva na ultrazvok kot homogena tkiva (jetra itd.). Na meji mehkih tkiv in kosti se sprosti razmeroma veliko toplote.

Nič manj pomembni so lahko učinki, povezani z Debyejevim potencialom. Diagnostični ultrazvočni impulzi lahko v tkivih povzročijo Debyejev potencial do več sto mV, kar je po velikosti primerljivo s potenciali celičnih membran, kar lahko povzroči depolarizacijo membran in poveča njihovo prepustnost glede na ione, ki sodelujejo pri celični presnovi. Opozoriti je treba, da sprememba prepustnosti celičnih membran je univerzalen odgovor na izpostavljenost ultrazvoku, ne glede na to, kateri od ultrazvočnih dejavnikov, ki delujejo na celice, v tem ali drugem primeru prevlada.

Tako je biološko delovanje ultrazvoka posledica številnih medsebojno povezanih procesov, od katerih nekateri do danes niso bili dovolj raziskani in katerih opis ni vključen v nalogo učbenika. Po mnenju V.B. Hakobyan, ultrazvok povzroči naslednjo verigo transformacij v bioloških objektih: ultrazvočno delovanje ® mikrotokovi v celici ® povečanje prepustnosti celičnih membran ® sprememba sestave znotrajceličnega okolja ® kršitev optimalnih pogojev za encimske procese ® zatiranje encimskih reakcij v celici ® sinteza novih encimov v celici itd. Prag biološkega učinka ultrazvoka bo taka vrednost njegove intenzivnosti, pri kateri ni motenj prepustnosti celičnih membran, tj. intenzivnost ni večja kot 0,01·10 4 W/m 2 .

Ultrazvok, ki ima močno biološko lastnost, se lahko uporablja v kmetijstvu. Poskusi zadnjih let so pokazali obetaven vpliv nizkofrekvenčnega ultrazvoka na semena žit in hortikulturnih rastlin, krmnih in okrasnih rastlin.

ULTRAZVOK V ŽIVALSKEM SVETU

Nekatere nočne ptice uporabljajo zvoke slišnega območja za eholokacijo (nočne kozarce, salangan hitri). Nightjars, na primer, oddajajo ostre, staccato klice s frekvenco 7 kHz. Po vsakem klicu ptica zajame zvok, ki se odbija od ovire, in prepozna lokacijo te ovire v smeri, iz katere prihaja odmev. Če poznamo hitrost širjenja zvoka in čas, ki je pretekel od njegovega oddajanja do sprejema, je mogoče izračunati razdaljo do ovire. Seveda ptica ne dela takšnih izračunov, vendar ji nekako njeni možgani omogočajo dobro navigacijo v prostoru.

Ultrazvočni eholokacijski organi so dosegli največjo popolnost pri netopirjih. Ker jim žuželke služijo kot hrana, tj. predmeti majhne velikosti, je za zmanjšanje uklona na takih predmetih potrebno uporabiti nihanje z majhno valovno dolžino. Dejansko, če predpostavimo, da je velikost žuželke 3 mm, potem bo uklon na njej nepomemben pri valovni dolžini istega reda velikosti, zato mora biti frekvenca nihanja vsaj enaka n = c/l= 340/3 10 –3 » 10 5 Hz = 100 kHz. To pomeni, da je treba za eholokacijo uporabiti ultrazvok in netopirji dejansko oddajajo signale s frekvenco reda 100 kHz. Postopek eholokacije je naslednji. Žival oddaja signal, ki traja 1–2 ms, v tem času pa njena občutljiva ušesa zapirajo posebne mišice. Potem se signal ustavi, ušesa se odprejo in netopir zasliši odbiti signal. Med lovom si signali sledijo drug za drugim do 250-krat na sekundo.

Občutljivost eholokacijskega aparata netopirjev je zelo visoka. Tako je na primer Griffin v temni sobi raztegnil mrežo kovinskih žic s premerom 0,12 mm z razdaljo med žicami 30 cm, kar je le malo preseglo razpon kril netopirjev. Kljub temu so živali prosto letele po prostoru, ne da bi se dotikale žic. Moč signala, ki so ga zaznali in se odbil od žice, je bila približno 10–17 W. Sposobnost netopirjev, da izolirajo želeni signal iz kaosa zvokov, je prav tako neverjetna. Med lovom vsak netopir zazna le tiste ultrazvočne signale, ki jih oddaja sam. Očitno imajo organi teh živali strogo resonančno naravnanost na signale določene frekvence in se ne odzivajo na signale, ki se od njihovih razlikujejo le za delček herca. Doslej nobena naprava za določanje lokacije, ki jo je ustvaril človek, nima takšne selektivnosti in občutljivosti. Delfini pogosto uporabljajo ultrazvočno lokacijo. Občutljivost njihovega lokatorja je tako velika, da lahko zaznajo kroglico, spuščeno v vodo, na razdalji 20–30 m. Frekvenčno območje, ki ga oddajajo delfini, se giblje od nekaj deset hercev do 250 kHz, vendar je največja intenzivnost pri 20–60 kHz. Za intraspecifično komunikacijo delfini uporabljajo zvoke v območju, ki ga človek sliši, do približno 400 Hz.