УДК 53.08
УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
№35,
Физико-математические науки
Быкова Ольга Юрьевна
Ключевые слова: УЛЬТРАЗВУК; КОЛЕБАНИЕ; ВОЛНЫ; ГЕНЕРАЦИЯ; КОЭФФИЦИЕНТ ПОГЛОЩЕНИЯ; ULTRASOUND; OSCILLATION; WAVES; GENERATION; ABSORPTION COEFFICIENT.
Воздух, морские глубины и недра земли полны звуков, расположенных ниже или выше этого диапазона, которые являются инфракрасным звуком и ультразвуком. В природе ультразвук существует как компонент многочисленных природных шумов: ветра, водопада, дождя, морского щебня, накатываемого волнами моря, или во время грозы. Многие млекопитающие, например, кошки и собаки, способны воспринимать ультразвук с частотой до 100 кГц, в то время как способность определять местонахождение ночных летучих мышей, ночных насекомых и морских животных хорошо известна всем.
Ультразвуковые волны по своей сути такие же, как волны звукового диапазона, и подчиняются тем же естественным законам. Однако ультразвук обладает некоторыми специфическими особенностями, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:
• Короткая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона в большинстве сред длина волны не превышает нескольких сантиметров. Короткая длина волны обеспечивает лучевое распространение ультразвуковых волн. Вблизи преобразователя ультразвук распространяется в виде пучков лучей, близких по размеру к преобразователю. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведет себя как световой пучок, подвергающийся отражению, преломлению и рассеянию, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах с использованием чисто оптических эффектов (фокусировки, дифракции и т. д.).
• Короткий период колебаний. Это позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и выполнять точную временную селекцию распространяющихся сигналов в среде.
• Возможность получения высоких энергий колебаний при низкой амплитуде. Это позволяет формировать высокоэнергетические ультразвуковые пучки, поэтому не требует установки больших размеров.
• В ультразвуковом поле развиваются высокие акустические токи. Поэтому воздействие ультразвука на среду вызывает различные эффекты: физические, химические, биологические или медицинские, такие как кавитация, акустокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, антисептики, местное нагревание и многие другие.
• Ультразвук не слышен и не доставляет дискомфорта обслуживающему персоналу.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ.
Ультразвуковые преобразователи можно разделить на две большие группы:
1) Колебания возникают из-за препятствий на пути потока газа или жидкости или из-за прекращения потока газа или жидкости. Они используются с ограничениями, главным образом для получения ультразвука в газе;
2) Механические колебания получаются путем преобразования колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются преобразователи этой группы, которые являются пьезоэлектрическими и магнитострикционными преобразователями.
Помимо преобразователей, основанных на пьезоэффекте, с помощью магнитострикционных преобразователей получается мощный ультразвуковой пучок. Магнитострикция – это изменение размеров тел с изменением их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещенный внутри подходящей обмотки, изменяет свою длину в зависимости от формы сигнала тока, проходящего через обмотку. В 1842 году это явление было открыто Джеймсом Джоулем и было обнаружено типичным для ферромагнитных материалов и ферритовых магнитов. Наиболее полезными магнитострикционными материалами являются сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия.
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА.
Зависимость скорости распространения и скорости затухания акустических волн от свойств веществ и происходящих в них процессов используется в следующих видах исследований:
• исследование молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах;
• изучение структуры кристаллов и других твердых тел;
• контроль химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и т.д.;
• определение концентраций раствора;
• определение прочностных свойств и состава материалов;
• определение примесей;
• определение расхода жидкости и газа.
Информацию о молекулярной структуре вещества можно получить из измерений скорости звука и коэффициента поглощения в нем. Это позволяет измерять концентрации растворов и суспензий в пульпах и жидкостях, контролировать экстракцию, полимеризацию, кинетику химических реакций. Определение состава вещества и наличия примесей с помощью ультразвука отличается высокой точностью до процента переломов.
Измерение скорости звука в твердых телах позволяет определять упругие и прочностные параметры конструкционных материалов. Этот косвенный метод определения прочности подходит благодаря своей простоте и доступности на месте.
Ультразвуковые детекторы газа контролируют процессы накопления опасных примесей. Температурная зависимость скорости ультразвука используется для бесконтактных измерений температуры газа и жидкости.
Принцип работы ультразвуковых расходомеров с применением эффекта Доплера основан на измерении акустической скорости в проточных жидкостях и газах, в том числе гетерогенных (эмульсии, суспензии или пульпы). Аналогичные установки используются для определения скорости и расхода крови в клиниках.
Большая группа методов измерений основана на отражении и рассеянии ультразвуковых волн на поверхностях раздела. Эти методы позволяют точно определить местоположение инородных тел в среде и используются в следующих отраслях:
• гидролокация;
• медицинская диагностика;
• измерение уровня жидкостей и гранулированных материалов в закрытых объемах;
• определение размеров изделия;
• визуализация звукового поля — акустическая визуализация и звуковая голография.
Отражение, преломление и способность фокусировать ультразвук используются в ультразвуковом контроле, акустических микроскопах, медицинской диагностике, а также для изучения макро-гетерогенности веществ.
Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной системы от свойств нагружающей ее среды (импеданса), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, толщины деталей, доступных только с одной стороны. Тот же принцип лежит в основе ультразвуковых твердомеров, датчиков уровня и переключателей. Преимуществами ультразвуковых методов контроля являются: короткое время измерения, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, а также отсутствие прямого воздействия инструмента на контролируемые среды и процессы.
Воздействие ультразвука на биологические объекты вызывает различные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук играет роль катализатора, ускоряющего установление сбалансированного, с точки зрения физиологии, состояния организма, то есть здорового состояния. Ультразвук оказывает гораздо более сильное воздействие на нездоровые ткани, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств для ингаляций. Ультразвуковая хирургия основана на следующих действиях: разрушение тканей непосредственно сфокусированным ультразвуком и нанесение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.
Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов, а также для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Управление оптическими сигналами основано на дифракции света ультразвуком. Одним из видов такой дифракции является так называемая дифракция Брэгга, зависящая от длины волны ультразвука, которая обеспечивает отделение короткого диапазона частот от света широкого спектра, т. е. фильтрацию света.
Ультразвук-чрезвычайно интересное явление, и можно предположить, что многие из его практических способностей еще неизвестны людям.
Список литературы
- Агранат, Б.А. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат. — М.: Медиа, 1987. — 257 c.
- Акопян, В. Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами / В.Б. Акопян, Ю.А. Ершов. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. — 298 c.
- Бергман, Л. Ультразвук / Л. Бергман. — М.: Издательство иностранной литературы, 1957. — 179 c.