Ультразвук (звуковое поле). Звуковой ветер. Применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технологический университет»

Физико-технологический институт

Курсовая работа

на тему: Ультразвук (звуковое поле). Звуковой ветер. Применение

студентки группы ЗСБЗ-01-16

Кострюковой Ирины

Москва 2017

Звук (звуковая волна) - это упругая волна, воспринимаемая органом слуха человека и животных. Иначе говоря, звук представляет собой распространение колебаний плотности (или давления) упругой среды, возникающих при взаимодействии частиц среды друг с другом.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16Гц до 20 000 Гц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше, до 1 ГГц, -- ультразвуком, от 1 ГГц -- гиперзвуком.

История открытия ультразвука

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Описание физического явления

Ультразвук - это упругие волны с частотами приблизительно от (1,5--2)*104Гц (15--20 кГц) до 109 Гц (1 ГГц); область частот ультразвука от 109 до 1012--1013 Гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука удобно подразделять на три диапазона: ультразвук низких частот (1,5*104--105 Гц), ультразвук средних частот (105--107 Гц) и область высоких частот ультразвука (107 --109 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Свойства ультразвука и особенности его распространения

По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.

Малая длина ультразвуковых волн позволяет в ряде случаев рассматривать их распространение методами геометрической акустики. Это даёт возможность рассматривать отражение, преломление, а также фокусировку с помощью лучевой картины.

Ввиду малой длины волны ультразвуковой характер его распространения определяется в первую очередь молекулярной структурой среды, поэтому, измеряя скорость с и коэффициент затухания, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Характерная особенность распространения ультразвука в многоатомных газах и во многих жидкостях -- существование областей дисперсии звука, сопровождающейся сильным возрастанием его поглощения. Эти эффекты объясняются процессами релаксации ультразвука в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только ультразвук низких частот. Другая особенность ультразвука - возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т. к. при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом нелинейных эффектов. Так, для интенсивных плоских ультразвуковых волн при малом поглощении среды (в особенности в жидкостях, твёрдых телах) синусоидальная у излучателя волна превращается по мере её распространения в слабую периодичную ударную волну (пилообразной формы); поглощение таких волн оказывается значительно больше, чем волн малой амплитуды. Распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, акустическое течение, скорость которого зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет долю % от скорости ультразвука. К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости и степени её чистоты, частоты звука, температуры и других факторов. В водопроводной воде, содержащей пузырьки воздуха, на частоте 20 кГц она составляет доли Вт/см2. На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью начиная с нескольких Вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Акустическая кавитация широко применяется в технологических процессах; при этом пользуются ультразвуком низких частот.

Генерация ультразвука

Для излучения ультразвука применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 группы -- механические и электромеханические. Механические излучатели ультразвука - воздушные и жидкостные свистки и сирены -- отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей 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 ультразвуковой технологии и частично -- как средства сигнализации.

Основными излучателями ультразвука являются электромеханические, преобразующие электрических колебания в механические. В диапазоне ультразвука низких частот возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли магнитострикционные преобразователи, использующие эффект магнитострикции. Для излучения ультразвука средних и высоких частот применяются главным образом пьезоэлектрические преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной частоте.

Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации ультразвука в области средних частот чрезвычайно широк: интенсивности от 10-14--10-15 Вт/см2 до 0,1 Вт/см2 считаются малыми. Для достижения больших интенсивностей, которые могут быть получены с поверхности излучателя, пользуются фокусировкой ультразвука. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики, на частоте 0,5 МГц удаётся получать в воде интенсивности ультразвука большие, чем 105 Вт/см2. Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне ультразвука низких частот часто пользуются стержневыми ультразвуковыми концентраторами, позволяющими получать амплитуды смещения 10-4 см.

ультразвук источник акустический

Источники ультразвука

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Такие колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе ультразвук встречается как в качестве компонентов 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 ультразвуковыми 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.

Свисток Гальтона

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак и кошек.

Жидкостный ультразвуковой свисток

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов XX века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена

Другая разновидность механических источников ультразвука -- сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в полицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске -- роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Основная задача при изготовлении сирен -- это во-первых- сделать как можно больше отверстий в роторе, во-вторых- достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Ультразвук в природе

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 -- 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 -- 0,008 мм на расстоянии 20см, решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха, что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Эхолокацию используют для навигации и птицы -- гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки -- от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, гуахаро, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом. Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Приём и обнаружение ультразвука

Вследствие обратимости пьезоэффекта, пьезоэлектрические преобразователи используются и для приёма ультразвука. Для изучения ультразвукового поля можно пользоваться и оптическими методами; Ультразвук, распространяясь в к.-л. среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, что позволяет визуализировать звуковое поле, если среда прозрачна для света. Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Дифракция света на ультразвуке легла в основу смежной области акустики и оптики -- акустооптики, которая получила большое развитие после возникновения газовых лазеров непрерывного действия.

Акустические течения

Акустические течения (акустический, или звуковой, ветер) - регулярные течения среды в звуковом поле большой интенсивности. Могут возникать как в свободном неоднородном звуковом поле, так и вблизи различного рода препятствий, помещённых в звуковое поле. Акустические течения всегда имеют вихревой характер и обычно возникают в результате того, что количество движения, связанное с колебаниями частиц среды в волне и переносимое ею, при поглощении волны передаётся среде, "вызывая регулярное движение последней. Поэтому скорость акустических течений пропорционально коэффициенту поглощения звука и его интенсивности, но обычно не превосходит величины колебательной скорости частиц в звуковой волне. После включения источника звука акустические течения устанавливается не сразу, а «разгоняется» постепенно до тех пор, пока торможение за счёт вязкости среды не скомпенсирует увеличение его скорости под действием звука.

Схема течения, вызванного ограниченным пучком звука: 1 -- излучатель; 2 -- поглотитель звука; 3 -- звуковой пучок.

В зависимости от соотношения характерного масштаба течения l и длины звуковой волны l=2p/k (k -- волновое число) различают 3 типа акустического тесения: течение в свободном неоднородном звуковом поле, где масштаб течения определяется размером неоднородности, напр. радиусом звукового пучка, при этом kl>1; течение в стоячих волнах, где масштаб течения определяется длиной стоячей волны (kl=1); течения в пограничном слое вблизи препятствий, помещённых в акустическое поле; в этом случае масштаб течения определяется толщиной акустического пограничного слоя d=Ov/w (v -- коэффициент кинетической вязкости, w -- круговая частота звука), a kl<1. При измерении звуковых полей с помощью радиометра и Рэлея диска акустическое течение является помехой. Акусические течения имеют полезные применения в технике и технологии; например, возникновение акустического течения у поверхности препятствий, помещённых в звуковое поле, может увеличить процессы массо- и теплопередачи через их поверхность. Акустические течения -- один из существенных факторов, обусловливающих ультразвуковую очистку различных деталей.

Акустические течения (акустический, или звуковой, ветер) - регулярные течения среды, возникающие в звуковом поле большой интенсивности. Акустические течения могут быть как в свободном неоднородном звуковом поле, так и вблизи различного рода препятствий. Возникновение акустических течений обусловлено законом сохранения количества движения: переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передаётся среде в другой форме, вызывая её регулярное движение. Поэтому скорость акустического течения пропорциональна коэффициенту поглощения звука и его интенсивности, но обычно не превосходит величины колебательной скорости частиц в звуковой волне. Акустические течения всегда имеют вихревой характер.

Применения ультразвука

Ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела, в частности в физике полупроводников, в результате чего возникла новая область акустики -- акустоэлектроника. На основе её достижений разрабатываются приборы для обработки сигнальной информации в микрорадиоэлектронике. Ультразвук играет большую роль в изучении структуры вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэффициента поглощения, используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик вещества. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие фононов с электронами проводимости, магнонами и другими квазичастицами в твёрдых телах.

Ультразвук широко применяется в технике. По данным измерений во многих технических задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава различных жидкостей и т. п.). Используя отражение ультразвука на границе различных сред, с помощью ультразвуковых приборов измеряют размеры изделий, определяют уровни жидкостей в ёмкостях, недоступных для прямого измерения. Ультразвук сравнительно малой интенсивности (до =0,1 Вт/см2) используется в дефектоскопии для неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельс, крупных отливок, качественного проката и т. д.). При помощи ультразвука осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние в световые, оказывается возможным при помощи ультразвука видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. Для получения увеличенных изображений предмета с помощью ультразвука высокой частоты создан акустический микроскоп, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим -- высокая контрастность, что при биологических исследованиях не требует предварительного окрашивания предмета, и возможность получать изображения оптически непрозрачных объектов. Развитие голографии привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии. Важную роль ультразвук играет в гидроакустике, поскольку упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющихся в морской воде. На принципе отражения ультразвуковых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, строится работа эхолота, гидролокатора и др.

Ультразвук большой интенсивности применяется в технике, оказывая воздействие на протекание технологических процессов посредством нелинейных эффектов -- кавитации, акустических потоков и др. Так, при помощи мощного ультразвука ускоряется ряд процессов тепло- и массообмена в металлургии. Воздействие ультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить более мелкокристаллическую и однородную структуру металла. Ультразвуковая кавитация применяется для очистки от загрязнений как мелких (часовое производство, приборостроение, электронная техника), так и крупных производственных деталей (трансформаторное железо, прокат и др.). С помощью ультразвука удаётся осуществить пайку алюминиевых изделий, приварку тонких проводников к напылённым металлическим плёнкам и непосредственно к полупроводникам, сварку пластмассовых деталей, соединение полимерных плёнок и синтетических тканей. Ультразвук позволяет обрабатывать хрупкие детали, а также детали сложной конфигурации.

Ультразвук применяется в биологии и медицине. При действии ультразвука на биологические объекты происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению.

В медицине ультразвук используется для диагностики, терапевтических и хирургических методов лечения. Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей используется для диагностики внутренних органов. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей под действием ультразвука используются для терапевтических целей. Ультразвуковая хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с разрушением тканей собственно звуковыми колебаниями, а вторая -- с наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент.

Диагностическое применение ультразвука в медицине

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.

Помимо широкого использования в диагностических целях ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.

Ультразвук обладает действием:

- противовоспалительным, рассасывающим

- аналгезирующим, спазмолитическим

- кавитационным усилением проницаемости кожи

Фонофорез -- сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно -- ионов минералов бишофита. Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:

- лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается

- синергизм действия ультразвука и лечебного вещества

Резка металла с помощью ультразвука

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.

Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.

Приготовление смесей с помощью ультразвука

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей. Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

Применение ультразвука в биологии

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК.[источник не указан 649 дней] Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Применение ультразвука для очистки

Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоты и повышенную мощность.

В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны заполоненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).

В быту, для стирки текстильных изделий, используют специальные, излучающие ультразвук устройства, помещаемые в отдельную ёмкость.

Применение ультразвука в эхолокации

В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.

Применение ультразвука в дефектоскопии

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка -- сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднен, или при соединении разнородных металлов или металлов с прочными окисными пленками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.). Так ультразвуковая сварка применяется при производстве интегральных микросхем.

Заключение

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Ультразвук используют в таких сферах как: медицина, биология, производство, строительство, машиностроение и другие. Поэтому открытие и дальнейшее изучение и применение данного физического явления очень важно.

Список литературы

1. Российская энциклопедия по охране труда. -- М.: НЦ ЭНАС. 2007. Под ред. В. К. Варова, И. А. Воробьева, А. Ф. Зубкова, Н. Ф. Измерова.

2. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. -- М.: Советская энциклопедия. 1988. Главный редактор А. М. Прохоров.

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

4. Физический энциклопедический словарь. -- М.: Советская энциклопедия. 1983. Главный редактор А. М. Прохоров.

5. Мощные ультразвуковые поля, Розенберг Л.Д. M., 1968;

6. Теоретические основы нелинейной акустики, Pуденко О. В., Солуян С. И., M., 1975.

Размещено на Allbest.ru