Ультра и инфразвук в живой природе. Применение ультразвука. Ультразвук в природе Что такое ультразвуковые волны
21-й век - век радиоэлектроники, атома, покорения космоса и ультразвука. Сравнительно молода в наши дни наука об ультразвуке. В конце 19 века П. Н. Лебедев, русский ученый-физиолог, провел первые его исследования. После этого ультразвуком начали заниматься многие выдающиеся ученые.
Что такое ультразвук?
Ультразвук - это распространяющееся волнообразно которое совершают частицы среды. Он имеет свои особенности, по которым отличается от звуков слышимого диапазона. Сравнительно легко в ультразвуковом диапазоне получить направленное излучение. К тому же он хорошо фокусируется, и в результате этого повышается интенсивность совершаемых колебаний. При распространении в твердых телах, жидкостях и газах ультразвук рождает интересные явления, нашедшие практическое применение во многих областях техники и науки. Вот что такое ультразвук, роль которого в различных сферах жизни сегодня очень велика.
Роль ультразвука в науке и практике
Ультразвук в последние годы стал играть в научных исследованиях все большую роль. Были успешно проведены экспериментальные и теоретические изыскания в области акустических течений и ультразвуковой кавитации, что позволило ученым разработать технологические процессы, которые протекают при воздействии в жидкой фазе ультразвука. Он является мощным методом исследования разнообразных явлений и в такой области знания, как физика. Ультразвук применяется, например, в физике полупроводников и твердого тела. Сегодня формируется отдельное направление химии, получившее название "ультразвуковая химия". Ее применение позволяет ускорить множество химико-технологических процессов. Зародилась также молекулярная акустика - новый раздел акустики, который изучает молекулярное взаимодействие с веществом Появились новые сферы применения ультразвука: голография, интроскопия, акустоэлектроника, ультразвуковая фазомерия, квантовая акустика.
Помимо экспериментальных и теоретических работ в этой области, сегодня было выполнено множество практических. Разработаны специальные и универсальные ультразвуковые станки, установки, которые работают под повышенным статическим давлением и др. Внедрены в производство ультразвуковые автоматические установки, включенные в поточные линии, что позволяет существенно повысить производительность труда.
Подробнее об ультразвуке
Расскажем подробнее о том, что такое ультразвук. Мы уже говорили о том, что это упругие волны и ультразвука составляет более 15-20 кГц. Субъективными свойствами нашего слуха определяется нижняя граница ультразвуковых частот, которая отделяет ее от частоты слышимого звука. Эта граница, таким образом, является условной, и каждый из нас по-разному определяет, что такое ультразвук. Верхняя граница обозначена упругими волнами, их физической природой. Они распространяются только в материальной среде, то есть длина волны должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега имеющихся в газе молекул или же межатомных расстояний в твердых телах и жидкостях. При нормальном давлении в газах верхняя граница частот УЗ - 10 9 Гц, а твердых телах и жидкостях - 10 12 -10 13 Гц.
Источники ультразвука
Ультразвук в природе встречается и как компонент множества естественных шумов (водопада, ветра, дождя, гальки, перекатываемой прибоем, а также в сопровождающих разряды грозы звуках и т. д.), и как неотъемлемая часть животного мира. Им некоторые виды животных пользуются для ориентировки в пространстве, обнаружения препятствий. Известно, кроме того, что ультразвук в природе используют дельфины (в основном частоты от 80 до 100 кГц). Очень большой при этом может быть мощность излучаемых ими локационных сигналов. Известно, что дельфины способны обнаруживать находящиеся на расстоянии до километра от них.
Излучатели (источники) ультразвука делятся на 2 большие группы. Первая - это генераторы, в которых колебания возбуждаются из-за наличия в них препятствий, установленных на пути движения постоянного потока - струи жидкости или газа. Вторая группа, в которую можно объединить источники ультразвука, - электроакустические преобразователи, которые превращают заданные колебания тока или электрического напряжения в механическое колебание, совершаемое твердым телом, излучающее акустические волны в окружающую среду.
Приемники ультразвука
На средних и приемниками ультразвука выступают чаще всего пьезоэлектрического типа электроакустические преобразователи. Они могут воспроизводить форму полученного акустического сигнала, представленную как временная зависимость звукового давления. Приборы могут быть либо широкополосными, либо резонансными - в зависимости от того, для каких условий применения они предназначены. Термические приемники используют для получения характеристик звукового поля, усредненных по времени. Они представляют собой покрытые звукопоглощающим веществом термисторы или термопары. Звуковое давление и интенсивность можно оценивать также оптическими методами, такими как дифракция света на УЗ.
Где применяется ультразвук?
Существует множество сфер его применения, при этом используются различные особенности ультразвука. Эти сферы можно разбить условно на три направления. Первое из них связано с получением посредством УЗ-волн различной информации. Второе направление - активное воздействие его на вещество. А третье связано с передачей и обработкой сигналов. УЗ определенного используется в каждом конкретном случае. Мы расскажем только о некоторых из множества областей, в которых он нашел свое применение.
Очистка с помощью ультразвука
Качество такой очистки нельзя сравнить с другими способами. При полоскании деталей, к примеру, на поверхности их сохраняется до 80% загрязнений, около 55 % - при вибрационной очистке, около 20 % - при ручной, а при ультразвуковой остается не более 0,5 % загрязнений. Детали, которые имеют сложную форму, возможно хорошо очистить лишь с помощью ультразвука. Важным преимуществом его использования является высокая производительность, а также малые затраты физического труда. Более того, можно заменить дорогостоящие и огнеопасные органические растворители дешевыми и безопасными водными растворами, применять жидкий фреон и др.
Серьезная проблема - загрязнение воздуха копотью, дымом, пылью, окислами металлов и т. д. Можно использовать ультразвуковой способ очистки воздуха и газа в газоотводах независимо от влажности среды и температуры. Если УЗ-излучатель поместить в пылеосадочную камеру, в сотни раз увеличится эффективность ее действия. В чем же заключается сущность такой очистки? Беспорядочно движущиеся в воздухе пылинки сильнее и чаще ударяются друг о друга под действием ультразвуковых колебаний. При этом размер их увеличивается за счет того, что они сливаются. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц. Специальными фильтрами улавливаются утяжеленные и укрупненные их скопления.
Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов
Если ввести между обрабатываемой деталью и рабочей поверхностью инструмента, использующего ультразвук, то частицы абразива при работе излучателя станут воздействовать на поверхность этой детали. При этом разрушается материал и удаляется, подвергаясь обработке под действием множества направленных микроударов. Кинематика обработки складывается из основного движения - резания, то есть совершаемых инструментом продольных колебаний, и вспомогательного - движения подачи, которые осуществляет аппарат.
Ультразвук может проделывать различные работы. Для абразивных зерен источником энергии являются продольные колебания. Они и разрушают обрабатываемый материал. Движение подачи (вспомогательное) может быть круговым, поперечным и продольным. Обработка с помощью ультразвука имеет большую точность. В зависимости от того, какую зернистость имеет абразив, она составляет от 50 до 1 мк. Используя инструменты разной формы, можно делать не только отверстия, но также и сложные вырезы, криволинейные оси, гравировать, шлифовать, изготовлять матрицы и даже сверлить алмаз. Используемые как абразив материалы - корунд, алмаз, кварцевый песок, кремень.
Ультразвук в радиоэлектронике
Ультразвук в технике часто используется в области радиоэлектроники. В этой сфере часто появляется необходимость задержать электрический сигнал относительно какого-то другого. Ученые нашли удачное решение, предложив использовать ультразвуковые линии задержки (сокращенно - ЛЗ). Их действие основано на том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые Как же это происходит? Дело в том, что скорость ультразвука существенно меньше, чем та, которую развивают электромагнитные колебания. Импульс напряжения после обратного преобразования в электрические механических колебаний будет задержан на выходе линии относительно импульса входного.
Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи используют для преобразования колебаний электрических в механические и обратно. ЛЗ соответственно этому делятся на пьезоэлектрические и магнитострикционные.
Ультразвук в медицине
Различные виды ультразвука применяются для воздействия на живые организмы. В медицинской практике его использование сейчас очень популярно. Оно основывается на эффектах, которые возникают в биологических тканях тогда, когда через них проходит ультразвук. Волны вызывают колебания частиц среды, что создает своеобразный микромассаж тканей. А поглощение ультразвука ведет к их локальному нагреванию. Вместе с тем в биологических средах происходят определенные физико-химические превращения. Эти явления в случае умеренной необратимых повреждений не вызывают. Они только улучшают обмен веществ, а значит и способствуют жизнедеятельности подверженного им организма. Такие явления применяются в УЗ-вой терапии.
Ультразвук в хирургии
Кавитация и сильное нагревание при больших интенсивностях приводят к разрушению тканей. Данный эффект применяется сегодня в хирургии. Фокусный ультразвук используют для хирургических операций, что позволяет осуществлять локальные разрушения в самых глубинных структурах (к примеру, мозга), не повреждая при этом окружающие. В хирургии также используются ультразвуковые инструменты, в которых рабочий конец имеет вид пилки, скальпеля, иглы. Колебания, накладываемые на них, придают новые качества этим приборам. Требуемое усилие значительно снижается, следовательно, уменьшается травматизм операции. К тому же проявляется обезболивающий и кровоостанавливающий эффект. Воздействие тупым инструментом с применением ультразвука используется для разрушения появившихся в организме некоторых видов новообразований.
Воздействие на биологические ткани осуществляется для разрушения микроорганизмов и используется в процессах стерилизации лекарственных средств и медицинских инструментов.
Исследование внутренних органов
В основном речь идет об исследовании брюшной полости. Для этой цели используется специальный может применяться для нахождения и распознавания различных аномалий тканей и анатомических структур. Задача зачастую такова: существует подозрение на наличие злокачественного образования и требуется отличить его от образования доброкачественного или инфекционного.
Ультразвук полезен при исследовании печени и для решения других задач, к которым относится обнаружение непроходимости и заболеваний желчных протоков, а также исследование желчного пузыря для выявления наличия в нем камней и других патологий. Кроме того, может применяться исследование цирроза и других диффузных доброкачественных заболеваний печени.
В области гинекологии, главным образом при анализе яичников и матки, применение ультразвука является в течение длительного времени главным направлением, в котором оно осуществляется особенно успешно. Зачастую здесь также нужна дифференциация доброкачественных и злокачественных образований, что требует обычно наилучшего контрастного и пространственного разрешения. Подобные заключения могут быть полезны и при исследовании множества других внутренних органов.
Применение ультразвука в стоматологии
Ультразвук также нашел свое применение и в стоматологии, где он используется для удаления зубного камня. Он позволяет быстро, бескровно и безболезненно снять налет и камень. При этом слизистая полость рта не травмируется, а "карманы" полости обеззараживаются. Вместо боли пациент испытывает ощущение теплоты.
Золкина Александра.
Данный проект выполнила ученица 9 класса. Данный проект рассматривает ультразвук в природе. Дается понятие ультразвука, его расположение на шкале электромагнитных волн.Работа выполнена на уровне 9 класса средней школы.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Ультразвук это упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц
В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: шум ветра, водопада, дождя, в грозовых разрядах. Локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. С физической точки зрения всякий звук - это колебательные движения, распространяющиеся волнообразно в упругой среде. Чем больше вибраций совершает в секунду колеблющееся тело (или упругая среда), тем выше частота звука. Самый низкий человеческий голос (бас) обладает частотой колебаний около восьмидесяти раз в секунду, или, как говорят физики, частота его колебаний достигает восьмидесяти герц. Самый высокий голос (например, сопрано перуанской певицы Имы Сумак) около 1400 герц.
В мореплавании и ловле рыбы Эхолот монтируется в днище корабля или лодки и обеспечивает безопасность мореплавателей, кораблей и пассажиров. Только при использовании эхолота корабль может безопасно плыть. Ведь дно становится "видимым".
Современные эхолоты позволяют не только измерять глубину, но производить поиск рыбы, узнать размеры рыб, расстояние до рыбы и глубину расположения косяка или отдельной особи. Вот например современный эхолот HUMMINBIRD 580.
В природе и технике известны звуки еще более высоких частот - в сотни тысяч и даже миллионы герц. Рекордно высокий звук у кварца - до одного миллиарда герц! Мощность звука колеблющейся в жидкости кварцевой пластинки в 40 тысяч раз превышает силу звука мотора самолета. Но мы не можем оглохнуть от этого «адского грохота», потому что не слышим его. Человеческое ухо воспринимает звуки с частотой колебаний лишь от шестнадцати до двадцати тысяч герц. Более высокочастотные акустические колебания принято называть ультразвуками, их волнами летучие мыши и «ощупывают» окрестности.
Дельфины Дельфин использует ультразвуковые волны, фокусируя их в нужном направлении, благодаря выпуклой форме черепа и жировой прослойке в виде выроста на голове. Эхо возвращается к дельфину в виде звуковой картинки, по которой он может распознать, добыча перед ним или хищник
Летучие мыши Выражение «слепой, как летучая мышь» вполне соответствует действительности – ученые выяснили, что, когда эти животные полагаются только на зрение, они врезаются в окружающие объекты намного чаще, чем при использовании ультразвука для навигации.
Ультразвуки возникают в гортани летучей мыши. Здесь в виде своеобразных струн натянуты голосовые связки, которые, вибрируя, производят звук. Гортань ведь по своему устройству напоминает обычный свисток: выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее - возникает «свист» очень высокой частоты, до 150 тысяч герц (человек его не слышит).
Летучая мышь может периодически задерживать поток воздуха. Затем он с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле. Неплохое достижение для зверька весом 5 - 20 граммов! В гортани летучей мыши возбуждаются кратковременные высокочастотные звуковые колебания - ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 60, а у некоторых видов даже от 10 до 200 импульсов. Каждый импульс, «взрыв», длится всего 2 - 5 тысячных. Краткость звукового сигнала - очень важный физический фактор. Лишь благодаря ему возможна точная эхо локация, то есть ориентировка с помощью ультразвуков.
У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых. Бабочки
Ультразвуковая эхолокация ночных бабочек
Глубина проникновения ультразвуковых волн Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину
Работу выполнела: Золкина Александра ученица 9 класс А
C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.
Ультразвук и его свойства
В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.
Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.
Основными параметрами волны являются длина волны, частота и период. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:
- 1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
- 2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
Потребности морского флота ведущих держав - Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, 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.
Р е ф е р а т
По дисциплине: физика биологических
систем
на тему: Ультразвуки и инфразвуки
в природе и технике
Введение
Инфразвук (от латинского infra - ниже, под),
упругие волны, аналогичные звуковым,
но с частотами ниже области слышимых
человеком частот. Обычно за верхнюю границу
инфразвуковой области принимают частоты
16--25 Гц. Нижняя граница инфразвукового
диапазона неопределенна. Практический
интерес могут представлять колебания
от десятых и даже сотых долей Гц., т. е.
с периодами в десяток секунд. Обычно слух
человека воспринимает колебания в пределах
16-20000 Гц (колебаний в секунду). Инфразвук
вызывает нервное перенапряжение, недомогание,
головокружение, изменение деятельности
внутренних органов, особенно нервной
и сердечно - сосудистой систем.
Для инфразвука характерно малое поглощение
в различных средах вследствие чего инфразвуковые
волны в воздухе, воде и в земной коре могут
распространяться на очень далёкие расстояния.
Это явление находит практическое применение
при определении места сильных взрывов
или положения стреляющего орудия. Распространение
инфразвука на большие расстояния в море
даёт возможность предсказания стихийного
бедствия -- цунами. Звуки взрывов, содержащие
большое количество инфразвуковых частот,
применяются для исследования верхних
слоев атмосферы, свойств водной среды.
"Голос моря" - это инфразвуковые
волны, возникающие над поверхностью моря
при сильном ветре, в результате вихреобразования
за гребнями волн. Вследствие того, что
для инфразвука характерно малое поглощение,
он может распространяться на большие
расстояния, а поскольку скорость его
распространения значительно превышает
скорость перемещения области шторма,
то "голос моря" может служить для
заблаговременного предсказания шторма.
Своеобразными индикаторами шторма являются
медузы. На краю "колокола" у медузы
расположены примитивные глаза и органы
равновесия - слуховые колбочки величиной
с булавочную головку. Это и есть "уши"
медузы. Они слышат инфразвуки с частотой
8 - 13 Гц. Шторм разыгрывается еще за сотни
километров от берега, он придет в эти
места примерно часов через 20, а медузы
уже слышат его и уходят на глубину. Длина
инфразвуковой волны весьма велика (на
частоте 3.5 Гц она равна 100 метрам), проникновение
в ткани тела также велико. Можно сказать,
что человек слышит инфразвук «всем телом».
Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее
время более широкий смысл, чем просто
обозначение высокочастотной части спектра
акустических волн. С ним связаны целые
области современной физики, промышленной
технологии, информационной и измерительной
техники, медицины и биологии. Хотя первые
ультразвуковые исследования были выполнены
ещё в позапрошлом веке, основы широкого
практического применения ультразвука
были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как
область науки и техники ультразвук получил
особенно бурное развитие в последние
три-четыре десятилетия. Это связано с
общим прогрессом акустики как науки и,
в частности, со становлением и развитием
таких её разделов, как нелинейная акустика
и квантовая акустика, а также с развитием
физики твёрдого тела, электроники и в
особенности с рождением квантовой электроники.
Широкое распространение ультразвуковых
методов обусловлено появлением новых
надёжных средств излучения и приёма акустических
волн, с одной стороны, обеспечивших возможность
существенного повышения излучаемой ультразвуковой
мощности и увеличения чувствительности
при приёме слабых сигналов, а с другой
-- позволивших продвинуть верхнюю границу
диапазона излучаемых и принимаемых волн
в область гиперзвуковых частот. Характерной
особенностью современного состояния
физики и техники ультразвука является
чрезвычайное многообразие его применений,
охватывающих частотный диапазон от слышимого
звука до предельно достижимых высоких
частот и область мощностей от долей милливатта
до десятков киловатт.
Ультразвук применяется в металлургии
для воздействия на расплавленный металл
и в микроэлектронике и приборостроении
для прецизионной обработки тончайших
деталей. В качестве средства получения
информации он служит как для измерения
глубины, локации подводных препятствий
в океане, так и для обнаружения микродефектов
в ответственных деталях и изделиях. Ультразвуковые
методы используются для фиксации малейших
изменений химического состава веществ
и для определения степени затвердевания
бетона в теле плотины. В области контрольно-измерительных
применений ультразвука в самостоятельный,
установившийся раздел выделилась ультразвуковая
дефектоскопия, возможности которой и
разнообразие решаемых ею задач существенно
возросли. В самое последнее время сформировались
как самостоятельные области акустоэлектроника
и акустооптика. Первая из них связана
с обработкой электрических сигналов,
использующей преобразование их в ультразвуковые.
Из устройств акустоэлектроники наиболее
известными и давно используемыми являются
линии задержки и фильтры. Достижения
в области изучения поверхностных волн,
генерации и приёма гиперзвуковых волн,
установление связи упругих волн с элементарными
возбуждениями в твёрдом теле привели
к существенному расширению возможностей
этих устройств и к созданию новых приборов
акустоэлектроники, обеспечивающих более
сложную обработку сигналов. Акустооптика,
связанная с обработкой световых сигналов
посредством ультразвука, является одной
из самых молодых и быстро развивающихся
областей ультразвуковой техники. К новейшим
ультразвуковым методам принадлежит акустическая
голография, перспективы которой весьма
многообещающи, поскольку она создаёт
возможность получения изображений предметов
в непрозрачных для световых лучей средах.
Рассматривая многообразие практических
применений ультразвуковых колебаний
и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой
медицинской диагностике, которая даёт
в ряде случаев более детальную информацию
и является более безопасной, чем другие
методы диагностики. Об ультразвуковой
терапии, занявшей прочное положение среди
современных физиотерапевтических методов,
и, наконец, о новейшем направлении применения
ультразвука в медицине -- ультразвуковой
хирургии. Наряду с применениями практического
характера, ультразвук играет важную роль
в научных исследованиях. Нельзя себе
представить современную физику твёрдого
тела без применения ультразвуковых и
гиперзвуковых методов, без понятия о
фотонах, их поведении и взаимодействиях
с различными полями и возбуждениями в
твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов
широко используются методы молекулярной
акустики; всё большую роль играют ультразвуковые
методы в биологии. Интерес к ультразвуку,
к ультразвуковой технике всё возрастает,
благодаря его проникновению в самые различные
области человеческой деятельности. Растёт
число публикаций о нём в газетах и журналах,
в популярных изданиях. Инженеры и научные
работники, занятые в самых различных
областях народного хозяйства и науки,
оценивают возможности использования
ультразвуковых методов для своих конкретных
задач и в связи с этим хотят получить
представление о различных аспектах физики
и техники ультразвука на современном
уровне. Однако имеющаяся научно-техническая
литература в настоящее время не в состоянии
полностью удовлетворить такую потребность.
Известные издания общего характера, посвящённые
физике и технике ультразвука, зачастую
не соответствуют современному состоянию
науки. Опубликованные в последние годы
специальные монографии научного и прнкладного
характера предназначены для подготовленных
читателей, обладающих достаточным запасом
знаний в области акустики и смежных разделов
физики, например, физики твёрдого тела,
или в какой-то определенной, связанной
с ультразвуком отрасли техники. В этой
работе описаны основные темы, касающиеся
инфразвука, ультразвука в природе и технике.
Ультразвук, инфразвук и человек
Ультразвуком называют механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/см 2).
Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома.
Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер.
При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции.
Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия.
Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект. Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, составляет гигиеническое нормирование.
В соответствии с ГОСТ 12.1.01-89 "Ультразвук. Общие требования безопасности", "Санитарными нормами и правилами при работе на промышленных ультразвуковых установках" (№ 1733-77) ограничиваются уровни звукового давления в высокочастотной области слышимых звуков и ультразвуков на рабочих местах (от 80 до 110 дБ при среднегеометрических частотах третьоктавных полос от 12,5 до 100 кГц).
Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм операторов технологических установок, персонала лечебно-диагностических кабинетов состоят в первую очередь в проведении мероприятий технического характера. К ним относятся создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах на 20-40 дБ; размещение оборудования в звуко-изолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением; оборудование звукоизолирующих устройств, кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами.
При проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона - не ниже 22 кГц.
Чтобы исключить воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо устанавливать систему автоматического отключения ультразвуковых преобразователей при операциях, во время которых возможен контакт (например, загрузка и выгрузка материалов). Для защиты рук от контактного действия ультразвука рекомендуется применение специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой.
Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты - противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой и др.
Развитие техники и транспортны) средств, совершенствование технологических процессов и оборудования сопровождаются увеличением мощности и габаритов машин что обусловливает тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах и появление инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.
Инфразвуком называют акустические колебания с частого! ниже 20 Гц. Этот частотный диапазон лежит ниже порога слышимости и человеческое ухо не способно воспринимать колебания указанных частот.
Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов что и шум слышимых частот. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения).
Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.
Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора.
В соответствии с Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах (№ 2274-80) по характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. Гармонический характер спектра устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный.
Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц. Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ Лин. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.
Наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение должно отдаваться малогабаритным машинам большой жесткости, так как в конструкциях с плоскими поверхностями большой площади и малой жесткости создаются условия для генерации инфразвука. Борьбу с инфразвуком в источнике возникновения необходимо вести в направлении изменения режима работы технологического оборудования - увеличения его быстроходности (например, увеличение числа рабочих ходов кузнечно-прессовых машин, чтобы основная частота следования силовых импульсов лежала за пределами инфразвукового диапазона).
Должны приниматься меры по снижению интенсивности аэродинамических процессов - ограничение скоростей движения транспорта, снижение скоростей истечения жидкостей (авиационные и ракетные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, системы сброса пара тепловых электростанций и т.д.).
В борьбе с инфразвуком на путях распространения определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа, обычно при наличии дискретных составляющих в спектре инфразвука.
Выполненное в последнее время теоретическое обоснование течения нелинейных процессов в поглотителях резонансного типа открывает реальные пути конструирования звукопоглощающих панелей, кожухов, эффективных в области низких частот.
В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия сопутствующего шума. К мерам профилактики организационного плана следует отнести соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ. При контакте с ультразвуком более 50% рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 часа работы. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур - массаж, УТ-облучение, водные процедуры, витаминизация и др.
Ультразвук и инфразвук в приро де
То, что у дельфина необычайно развитый
слух, известно уже десятки лет. Объемы
тех отделов мозга, которые заведуют слуховыми
функциями, у него в десятки(!) раз больше,
чем у человека (при том, что общий объем
мозга примерно одинаков). Дельфин способен
воспринимать частоты звуковых колебаний,
в 10 раз более высокие (до 150 кГц), чем человек
(до 15-18 кГц), и слышит звуки, мощность которых
в 10-30 раз ниже, чем у звуков, доступных
слуху человека, каким бы хорошим ни было
зрение дельфина, его возможности ограничены
из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому
основные сведения об окружающей обстановке
дельфин получает с помощью слуха. При
этом он использует активную локацию:
слушает эхо, возникающее при отражении
издаваемых им звуков от окружающих предметов.
Эхо дает ему точные сведения не только
о положении предметов, но и об их величине,
форме, материале. Иными словами, слух
позволяет дельфину воспринимать окружающий
мир не хуже или даже лучше, чем зрение.
Слух человека позволяет различать интервалы
времени примерно от одной сотой секунды
(10 мс). Дельфины же различают интервалы
в десятитысячные доли секунды (0.1-0.3 мс).
То же наблюдается и при действии других
пробных звуков. Два коротких звуковых
импульса отличаются от одного, когда
интервал между ними составляет всего
0.2-0.3 мс (у человека - несколько мс). Пульсации
громкости звука вызывают ответы, когда
их частота приближается к 2 кГц (у человека
- 50-70 Гц).
Сонары летучих мышей.
Природа наградила летучих мышей способностью
издавать звуки с частотой колебаний выше
20000 герц, то есть ультразвуки, недоступные
уху человека. Локатор летучих мышей высокоточен,
надежен и ультраминиатюрен. Он всегда
находится в рабочем состоянии и во много
раз эффективнее всех локационных систем,
созданных человеком. С помощью такого
ультразвукового "видения" летучие
мыши обнаруживают в темноте натянутую
проволоку диаметром 0,12-0,05 мм, улавливают
эхо, которое в 2000 раз слабее посылаемого
сигнала, на фоне множества звуковых помех
могут выделять полезный звук, то есть
только тот диапазон, который им нужен.
Летучие мыши издают звуки высотой в 50
000-60 000 Гц и воспринимают их. Этим объясняется
их способность избегать столкновения
с предметами даже при выключенном зрении
(принцип радара). В пределах своего диапазона
нормальное человеческое ухо воспринимает
все тоны беспрерывно, без пропусков.
У летучих мышей ультразвуки обычно возникают
в гортани, которая по устройству напоминает
обычный свисток. Выдыхаемый из легких
воздух вихрем проносится через него и
с такой силой вырывается наружу, словно
выброшен взрывом. Давление проносящегося
через гортань воздуха вдвое больше, чем
в паровом котле! Более того, издаваемые
звуки очень громкие: если бы мы их улавливали,
то воспринимали бы, как рев двигателя
реактивного истребителя с близкого расстояния.
Не глохнут же летучие мыши потому, что
у них есть мышцы, закрывающие уши в момент
испускания разведывательных ультразвуков.
Безопасность ушей гарантируется совершенством
их конструкции: при максимальной частоте
следования зондирующих импульсов - 250
в секунду - заслонка в ухе летучей мыши
успевает открываться и закрываться 500
раз в секунду.
Поскольку скорость звука значительно
превышает скорость движения даже быстрокрылых
птиц, эхолокацией можно пользоваться
и во время полета. Самым совершенным локатором
обладают летучие мыши, развивающие во
время охоты большую скорость и постоянно
выполняющие в воздухе фигуры высшего
пилотажа. О качестве "локаторного"
слуха свидетельствуют результаты охоты:
самые маленькие хищники уже за 15 минут
охоты на комаров, мошек и москитов увеличивают
свой вес на 10 процентов. "Навигационный
прибор" настолько точен, что в состоянии
запеленговать микроскопически малый
предмет диаметром всего 0,1 миллиметра.
Дональд Гриффин, исследователь эхолокаторов
летучих мышей (давший, кстати, им это название),
считает, что если бы не эхолот, даже всю
ночь, летая с открытым ртом, летучая мышь
поймала бы по закону случая одного-единственного
комара.
Другие природные сонары.
Сонары имеются также и у ряда других видов
животных. Они есть у кашалотов, которые
используют их для поиска скоплений глубоководных
кальмаров. Сонар кашалота своеобразная
дальнобойная пушка", имеющая длину
до 5 м и занимающая почти треть тела животного.
Эхолокация обнаружена у обитающих в Америке
птиц гуахаро. Их сонары менее совершенны,
чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают
на относительно низких частотах, а именно
в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро
не замечают в темноте объектов, имеющих
небольшие размеры. В пещерах гуахаро
очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные
крики, напоминающие плач и стоны, трудно
переносимые для непривычного уха.
Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы,
обитающие в Индонезии и на островах Тихого
океана. У разных видов саланганов сонары
работают на разных частотах: 2000 до 7000
Гц. Любопытно, что когда птица сидит, её
эхолокационный аппарат не работает; локационные
импульсы посылаются только в полете (при
взмахивании крыльями). Не работает сонар
саланганов и на свету.
Ультразвук и инфразвук в техни ке
В настоящее время инфразвук начинают медленно использовать в медицине. В основном при лечении рака (удаление опухолей), в микрохирургии глаза (лечение заболеваний роговицы) и в некоторых других областях. В России впервые лечение инфразвуком роговицы глаза применили в Российской детской клинической больнице. Впервые в практике детской офтальмологии при лечении заболеваний роговицы применен инфразвук и инфразвуковой фонофорез. Подведение лекарственных веществ к роговице с помощью инфразвука позволило не только ускорить процесс выздоровления, но и способствовало рассасыванию стойких помутнений роговицы, а также снизить количество рецидивов заболевания. Сейчас существуют немало физиоотерапевтических аппаратов использующих метод лечения инфразвуком. Но они имеют применение лишь в узких специализациях. По применению инфразвука против рака известно очень мало, существуют единичные устройства такого типа. Хотя перспективность их применения не вызывает больших сомнений. Сложность применения обусловлена тем, что инфразвук оказывает губительное воздействие на живой организм, нужно провести сотни испытаний и много лет работы, чтобы найти подходящие параметры воздействия. Будущее этого метода не за горами.
Инфразвуковое (психотронное) оружие и его применение
В XXI веке имеются сведения по разработке
и испытаниях инфразвукового оружия некоторыми
странами - лидерами на военно-политической
мировой арене, в том числе непременно
США и Россией. Создатели сверхоружия,
основанного на воздействии инфразвука,
утверждают, что оно полностью подавляет
противника, вызывая у него такие "неотвратимые"
последствия, как тошнота и рвота. В основном
инфразвуковое оружие применяют против
живой силы. По данным исследований, проводившихся
в некоторых странах, инфразвуковые колебания
могут воздействовать на центральную
нервную систему и пищеварительные органы,
вызывая паралич, рвоту и спазмы, приводить
к общему недомоганию и болевым ощущениям
во внутренних органах, а при более высоких
уровнях на частотах в единицы Гц - к головокружению,
тошноте, потере сознания, а иногда к слепоте
и даже смерти.
Инфразвуковое оружие может также вызывать
у людей паническое состояние, потерю
контроля над собой и непреодолимое желание
укрыться от источника поражения(!), что
особенно ценно в условиях войны. Определенные
частоты могут воздействовать на среднее
ухо, вызывая вибрации, которые в свою
очередь, становятся причиной ощущений
сродни тем, какие бывают при укачивании,
морской болезни. Дальность его действия
определяется излучаемой мощностью, значением
несущей частоты, шириной диаграммы направленности
и условиями распространения акустических
колебаний в реальной сред Разработчики
вооружения такого вида и исследователи
его ужасных последствий потратили немало
денег из государственной казны.
Инфразвуковое оружие - один из видов ОМП
(оружие массового поражения), основанного
на использовании направленного излучения
мощных инфразвуковых колебаний. Прототипы
такого оружия уже существуют и неоднократно
рассматривались в качестве возможного
объекта для испытаний. Практический интерес
представляют колебания с частотой от
десятых и даже сотых долей до единиц Гц.
Для инфразвука характерно малое поглощение
в различных средах, вследствие чего инфразвуковые
волны в воздухе, в воде и в земной коре
могут распространяться на большие расстояния,
проникать сквозь бетонные и металлические
преграды. Это оружие оказывает психотронное
воздействие на ЦНС (центральная нервная
система) человека, впоследствии при высоких
частотах выводя из строя весь организм.
В США разработками этого секретного оружия
занимается Пентагон, в частности Минобороны
США. Наряду с разработками инфразвуковой
пушки, там особое внимание уделяют исследованиям
по воздействию этого оружия на человека,
выделяются многомилионные трансферты.
Ивестно, что разработками такого вида
вооружения занимались в СССР, в конце
80-х годов. Из рассказа доктора технических
наук В. Канюка: “Я возглавлял секретный
комплекс в Подлипках. Он входил в НПО
“Энергия” (руководитель - акодемик В.П.
Глушко). Во исполнении закрытого Постановления
ЦК КПСС и Совмина СССР от 27 января 1986 года
мы создали генератор специальных физических
полей. Он был способен корректировать
поведения огромных масс населения. Выведенная
на космическую орбиту, эта аппаратура
охватывала своим “лучем” территорию,
равную Краснодарскому краю. Средства,
ежегодно выделявшиеся на эту и смежные
с ней программы, были эквивалентны пяти
миллиардам долларов(!)...” (да, именно тех
долларов по курсу около 6 руб. за 1 у.е.)
Летом 1991 года комитет Верховного Совета
СССР опубликовал жутковатую цифру. КГБ
(комитет госбезопасности, аналог нашего
ФСБ или американского ФБР), Академия наук,
Министерство обороны и другие ведомства
израсходовали на разработки психотронного
оружия полмиллиарда полновесных дореформенных
рублей. Одной из главных задач было “дистанционное
медико-биологическое и психофизическое
воздействие на войска и население противника”.
В России (по неофициальным данным) существуют
отечественные разработки психотронного
оружия основанного на распространении
инфразвуковых волн “Лава - 5” и “Русло
- 1”. Указывается, что в классификации
средств массового поражения (ею пользуются
военно-промышленные комплексы развитых
стран) появился пункт: “Это оружие с воздействием
на генетический аппарат. В определенных
кругах оно называется “экологически
чистым” и даже “гуманным”, не разрушающим
городов и зачастую не убивающим людей,
например, как ядерное оружие. Несмотря
на низкую разрушающую способность, оно
имеет более высокий КПД против живой
силы противника (за исключением ядерного
оружия и некоторых др.). Это оружие так
же интересно не только военным, но и силам
полиции, как эффективная мера воздействия
во время разгона демонстраций и массовых
беспорядках, оно должно в будущем заменить
водомётные пушки, резиновые пули и дубинки,
слезоточивый газ и др. устаревшие средства.
Его так же называют этническим оружием.
Можно с уверенностью сказать, что инфразвуковое
оружие - это новая веха в разделе оружий
массового поражения.
Применение ультразвука в медицине
Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует
на биологические объекты (например, убивает
бактерии), известно уже более 70 лет, но
до сих пор среди медиков нет единого мнения
о конкретном механизме его воздействия
на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные
УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев
тканей, сопровождаемый микромассажем.
Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках
УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.
Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием
УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей
мозга и постановки диагноза.
Акушерство – область медицины, где эхоимпульсные
УЗ-методы наиболее прочно укоренились,
как, например, ультразвуковое исследование
(УЗИ) движения плода, которое недавно
прочно вошло в практику. Сейчас происходит
накопление информации по движению конечностей
плода, псевдодыханию, по динамике сердца
и сосудов. Пока исследуются физиология
и развитие плода, а до обнаружения аномалий
пока ещё далеко.
Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного
определения размеров глаза, а также для
исследования патологий и аномалий его
структур в случае непрозрачности и, следовательно,
недоступности для обычного оптического
исследования. Область позади глаза –
орбита – доступна обследованию через
глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной
томографией стал одним из основных методов
исследования патологий этой области.
Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются
при обследовании сердца и прилегающих
магистральных сосудов. Это связано с
возможностью быстрого получения пространственной
информации, а также возможностью её объединения
с томографической визуализацией.
Терапия и хирургия. Давно известно, что
УЗ-излучение можно сделать узконаправленным.
Французский физик Поль Ланжевен впервые
заметил его повреждающее действие на
живые организмы. Результаты его наблюдений,
а также сведения о том, что УЗ-волны могут
проникать сквозь мягкие ткани человеческого
организма, привели к тому, что с начала
1930-х гг. возник большой интерес к проблеме
применения ультразвука для терапии различных
заболеваний. Особенно широко ультразвук
стал применяться в физиотерапии. Тем
не менее лишь недавно стал намечаться
научный подход к анализу явлений, возникающих
при взаимодействии УЗ-излучения с биологической
средой. Терапевтический ультразвук можно
разделить на ультразвук низких и высоких
интенсивностей – соответственно неповреждающий
нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты)
и стимуляция и ускорение нормальных физиологических
реакций при лечении повреждений (физиотерапия
и некоторые виды терапии рака). При более
высоких интенсивностях основная цель
– вызвать управляемое избирательное
разрушение в тканях (хирургия). Электронная
аппаратура используется в нейрохирургии
для инактивации отдельных участков головного
мозга мощным сфокусированным высокочастотным
(порядка 1000кГц) пучком.
Другие технологии
Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление
в волне обычного звука в тысячи раз и
легко обнаруживается с помощью микрофонов
в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт
возможность применения ультразвука для
обнаружения косяков рыбы или других подводных
объектов. Одна из первых практических
УЗ-систем обнаружения подводных лодок
появилась в конце Первой мировой войны.
Ультразвуковой расходомер. Принцип
действия такого прибора основан на эффекте
Доплера. Импульсы ультразвука направляются
попеременно по потоку и против него. При
этом скорость прохождения сигнала то
складывается со скоростью потока, то
вычитается из неё. Возникающая разность
фаз импульсов в двух ветвях измерительной
схемы регистрируется электронным оборудованием,
в итоге вычисляется скорость потока,
а по ней – и массовая скорость (расход).
Этот измеритель может применяться как
в замкнутом контуре (например, для исследований
кровотока в аорте или охлаждающей жидкости
в атомном реакторе), так и в открытом (например,
реки).
Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории
маломощных, в которых физические характеристики
среды не изменяются. Но существуют и методы,
в которых на среду направляют ультразвук
большой интенсивности. При этом в жидкости
развивается мощный кавитационный процесс
(образование множества пузырьков, или
каверн, которые при повышении давления
схлопываются), вызывая существенные изменения
физических и химических свойств этой
среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия
на химически активные вещества объединяются
в научно-техническую отрасль знаний,
называемую УЗ-химией. Она исследует и
стимулирует такие процессы, как гидролиз,
окисление, перестройка молекул, полимеризация,
диполимеризация, ускорение реакций.
УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами
в металлических расплавах, и разрушает
оксидную плёнку алюминия, и позволяет
производить его пайку оловянным припоем
без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком
металлов стали обычными промышленными
товарами.
УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется
при машинной обработке деталей из очень
твёрдых и хрупких материалов, как, например,
стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая
сталь. В промышленности также используется
большой ассортимент оборудования для
очистки поверхностей кварцевых кристаллов
и оптического стекла, малых прецизионных
шарикоподшипников, снятия заусенцев
с малогабаритных деталей.
Широко
применяется ультразвук для приготовления
однородных смесей. Ещё в 1927 г. американские
учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если
две несмешивающиеся жидкости (например,
масло и воду)
и т.д.................
Ультразвук
Ультразву́к - упругие колебания с частотой за пределом слышимости для человека. Обычно ультразвуковым диапазоном считают частоты выше 18 000 герц.
Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.
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 УЗ 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
Применение ультразвука
Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)
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 .
Терапевтическое применение ультразвука в медицине
Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), 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
Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз , остеохондроз , артриты , бурситы , эпикондилиты, пяточная шпора , состояния после травм опорно-двигательного аппарата; Невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов.
Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела - 0,2-0,4 Вт/см2., в области грудного и поясничного отдела - 0,4-0,6 Вт/см2).
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 (гомогенизации). 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. 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.).
Применение ультразвука в расходометрии
Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры .
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.
Применение ультразвука в гальванотехнике
Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.