Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗВУК, КОТОРЫЙ МЫ НЕ СЛЫШИМ

Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским учёным-физиком П.Н. Лебедевым в конце 19 века. С тех пор ультраакустика развивается удивительно быстрыми темпами, так что многие явления, бывшие всего 30-40 лет назад предметом специальных исследований ученых, в настоящее время широко используются в самых различных областях науки и техники.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц).

Актуальность данной работы заключается в том, что ультразвук нашёл широкое применение в медицине, технике, промышленности, физико-технических науках, в том числе в радиоэлектронике, микроэлектронике.

Методы, которые основаны на явлении ультразвука, получили большую популярность в наши дни и, безусловно, будут развиваться.

Цель работы: изучение явления ультразвука и его применение в различных областях.

Ультразвук, упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Обычно Ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц.

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. УЗ преобразователь - это устройство, обеспечивающее преобразование подводимой энергии какого либо вида в энергию УЗ колебаний. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. 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.

В природе ультразвук встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира.

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне. Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. 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 (104 - 105 Гц);

§ средние (105 - 107 Гц);

§ высокие (107 - 109 Гц).

Различные виды ультразвуковых волн.

Ультразвуковые волны классифицируют по четырем различным категориям в соответствии с механизмом колебания частицы в среде и с учетом направления распространения первичной волны:

§ продольные

§ поперечные

§ поверхностные

§ волны в пластинах

Ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с некоторой конечной скоростью, которая определяется упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость звука в жидкостях и твердых средах значительно выше, чем в воздухе, где она приблизительно равна 330 м/с.

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие ее ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука.

Ультразвук оказался просто находкой для решения технических задач. Например, ультразвуковые дефектоскопы, объединенные с компьютером, помогают контролировать качество сварных швов, бетонных опор и плит. Дефектоскопы играют важную роль в ультразвуковом тестировании.

Дефектоскоп представляет собой модуль с электронным управлением, который выполняет операцию согласно инструкции, данной инструктором.

Менее обоснованным теоретически, но весьма многообещающим является использование ультразвука при сварке. Принцип ультразвуковой сварки достаточно прост. Две металлические поверхности накладываются друг на друга и слегка прижимаются, но так, чтобы сохранялось скольжение одной поверхности по другой под воздействием очень низких ультразвуковых частот. В результате ультразвуковой сварки поверхности прочно соединяются. При этом не требуется затраты тепла. Перед сваркой необходима лишь тщательная обработка поверхностей. Хотя ультразвуковая сварка прочно вошла в промышленность, ее механизм во многом еще не понятен.

Ультразвуковую аппаратуру также с успехом применяют для резки и сверления металлов, стекла и других материалов. Ультразвук можно использовать для измельчения вещества - например, для приготовления тонко размолотого цемента или асбеста, для получения однородных эмульсий, для очистки жидкости или газа от примесей. С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты. Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный, чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в аэрозольных баллончиков.

За последние два десятилетия ультразвук занял в медицине прочную позицию. Ультразвуковые измерения скорости кровотока, обнаружение и уничтожение почечных камней, лечение рака и т.д. являются поистине инновационными. Ультразвук применяется для получения изображений различных структур в брюшной полости, таких как печень, поджелудочная железа, почки, мочевой пузырь, аорта и т.д. С помощью ультразвука можно легко выявлять нарывы, опухоли и камни в этих структурах. Существует ряд известных причин, обусловливающих применение ультразвуковых методов в медицине. К примеру, известно, что традиционные методы, такие как рентген и ядерная медицина, могут стать причиной появления рака. Что касается методов, основанных на химическом анализе, то они отнимают много времени.

По физической сути можно выделить две разновидности ультразвукового исследования: ультразвуковая локация и ультразвуковое просвечивание. При ультразвуковой локации регистрируются импульсы ультразвука, отраженные от границы сред, имеющих различные акустические свойства. Перемещение датчика позволяет выявить размеры, форму и расположение исследуемого объекта. Ультразвуковое просвечивание основано на различном поглощении ультразвука разными тканями организма. При исследовании внутреннего органа в него направляют ультразвуковую волну определенной интенсивности и регистрируют интенсивность прошедшего сигнала датчиком, находящимся по другую сторону органа. По степени изменения интенсивности воспроизводится картина внутреннего строения сканируемого органа.

Принятый сигнал обрабатывается электронным устройством, результат выдается в виде кривой или двухмерного изображения. По таким сканограммам можно судить о расположении, форме и величине исследуемого органа, однородности или неоднородности его тканей. Это дает возможность выявлять диффузное уплотнение органа, находить в нем полости с жидкостью, а также опухолевые образования и плотные очаги. Так, если рентген обнаруживает опухоль, когда плотность её отличается от плотности здоровой ткани в 1,5 - 2 раза и она часто бывает уже неоперабельной, то ультразвук «чувствует» её значительно раньше.

Благодаря ультразвуковой технике стало возможным увидеть и то, что происходит внутри костной ткани. Скорость распространения ультразвука в костях дает информацию об их строении, содержании органических и минеральных веществ. Любые патологические изменения, старение, развитие опухолей немедленно отражаются на акустических свойствах кости.

Ультразвуковые методы исследования оказались полезны и для анализа человеческой крови. Оказалось, что гораздо проще разрушать эритроциты ультразвуком низкой интенсивности. В результате получаются, так называемые, эритрограммы. Этот метод дает более точную информацию о прочности мембран. В сочетании с компьютерным анализом он позволяет не только улучшить диагностику заболеваний крови, например, лейкоза, но и судить о других патологиях, не имеющих четкой клинической картины. В последнее время в диагностике широко применяется и такой метод: каплю крови помещают в кювету, дном которой служит ультразвуковой излучатель. При включении ультразвука с частотой 500 кГц и определенной интенсивностью капля начинает светиться - возникает сонолюминесценция. Свечение это постепенно гаснет, и по скорости его затухания можно судить о состоянии организма.

Вредно ли ультразвуковое исследование? Применение ультразвукового метода диагностики безболезненно и практически безвредно, так как не вызывает реакций тканей. Поэтому противопоказаний для ультразвукового исследования не существует.

Сравнительно простыми средствами удается получать ультразвуковые колебания таких больших интенсивностей, каких мы совершенно не знаем в акустике слышимого диапазона. Все эти причины привели к тому, что за последние 20 лет ультразвук нашел исключительно широкое применение в самых различных областях науки и техники. Значение ультразвука выходит теперь далеко за рамки физики.

Он находит себе применение в химии, биологии и медицине, в технике связи и металловедении, при испытании и обработке материалов, а также во многих других отраслях техники. Широкому внедрению ультразвука в технику препятствует не недостаточность полученных экспериментальных данных или их сомнительность, а только отсутствие пригодных для широкого промышленного применения эксплуатационно-надежных и достаточно экономичных ультразвуковых генераторов.

Однако в последние годы в этом направлении был проделан ряд многообещающих опытов и достигнуты значительные успехи. Во всяком случае, можно с уверенностью утверждать, что в обиход промышленного неразрушающего контроля, научной лаборатории, в технику измерений и испытаний, в биологию и медицину ультразвук вошел навсегда

Литература

ультразвуковой волна колебание

1. Балдев Р., Раджендран В., Паланичами П. Применение ультразвука.

2. Голямина И.П. Ультразвук. - М.: Советская энциклопедия, 1979.

3. Маргулис M.А. Основы звукохимии // Звукохимические реакции и сонолюминесценция, 1986.

4. Оржешковский В. В. Бишофитотерапия // Жур. Вестник физиотерапии и курортологии.-2005.-№ 3- С.62-71.

5. Ремизов. Медицинская и биологическая физика

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

7. Хмелев В. Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности

8. Хорбенко И.Г. В мире неслышимых звуков // Машиностроение, 1971.

Размещено на Allbest.ru