Zvuk u prirodi i tehnologija ultrazvuka. Ultrazvuk u prirodi

Čovječanstvo poznaje mnogo načina da se utiče na organizam u terapeutske i preventivne svrhe. To uključuje lijekove, kirurške metode, fizioterapeutske metode i alternativnu medicinu. Ne može se reći da je bilo koja od ovih opcija poželjnija, jer se najčešće koriste u kombinaciji jedna s drugom i odabiru se pojedinačno. Jedna od nevjerovatnih metoda utjecaja na ljudski organizam je ultrazvuk; o upotrebi ultrazvuka u medicini i tehnologiji ćemo (ukratko) govoriti malo detaljnije.

Ultrazvuk je specijalni zvučni talas. One su nečujne ljudskom uhu i imaju frekvenciju veću od 20.000 herca. Čovječanstvo već dugi niz godina ima informacije o ultrazvučnim talasima, ali se one tako dugo nisu koristile u svakodnevnom životu.

Upotreba ultrazvuka u medicini (ukratko)

Ultrazvuk se široko koristi u različitim oblastima medicine - u terapeutske i dijagnostičke svrhe. Njegova najpoznatija upotreba u tehnologiji je ultrazvučna (ultrazvučna) mašina.

Upotreba u medicini za dijagnostiku

Takvi zvučni valovi se koriste za proučavanje različitih unutrašnjih organa. Uostalom, ultrazvuk se dobro širi u mekim tkivima našeg tijela, a karakterizira ga relativna bezopasnost u odnosu na rendgenske zrake. Osim toga, mnogo je lakša za korištenje od informativnije terapije magnetnom rezonancom.

Upotreba ultrazvuka u dijagnostici omogućava vizualizaciju stanja različitih unutrašnjih organa, često se koristi za pregled trbušnih ili karličnih organa.

Ova studija omogućava određivanje veličine organa i stanja tkiva u njima. Specijalista ultrazvuka može otkriti tumorske formacije, ciste, upalne procese itd.

Primjena u medicini u traumatologiji

Ultrazvuk ima široku primjenu u traumatologiji; uređaj kao što je ultrazvučni osteometar omogućava utvrđivanje ne samo prisutnosti prijeloma ili pukotina u kostima, već se koristi i za otkrivanje minimalnih promjena u strukturi kostiju kada se sumnja na osteoporozu ili kada je dijagnosticira.

Ehografija (još jedna popularna studija koja koristi ultrazvuk) omogućava vam da utvrdite prisutnost unutrašnjeg krvarenja u slučaju zatvorenih ozljeda grudnog koša ili abdomena. Ako se otkrije tekućina u trbušnoj šupljini, ehografija omogućava određivanje lokacije i količine eksudata. Osim toga, provodi se i kod dijagnosticiranja začepljenja velikih krvnih žila - za određivanje veličine i lokacije embolije, kao i krvnih ugrušaka.

Akušerstvo

Ultrazvučni pregled je jedna od najinformativnijih metoda za praćenje razvoja fetusa i dijagnosticiranje različitih poremećaja. Uz njegovu pomoć, doktori precizno određuju gdje se nalazi posteljica. Također, ultrazvučni pregled u trudnoći omogućava procjenu razvoja fetusa, mjerenje, utvrđivanje dimenzija područja trbuha, grudnog koša, prečnika i obima glave itd.

Često ova dijagnostička opcija omogućava unaprijed otkrivanje abnormalnih stanja u fetusu i proučavanje njegovih pokreta.

kardiologija

Ultrazvučne dijagnostičke metode se široko koriste za pregled srca i krvnih žila. Na primjer, takozvani M-mode se koristi za otkrivanje i prepoznavanje srčanih anomalija. U kardiologiji postoji potreba za snimanjem kretanja srčanih zalistaka isključivo s frekvencijama od oko 50 herca, shodno tome, takva studija se može izvesti samo ultrazvukom.

Terapeutske primjene ultrazvuka

Ultrazvuk se široko koristi u medicini za postizanje terapeutskog efekta. Ima odlično protuupalno i apsorbirajuće djelovanje, te ima analgetska i antispazmodična svojstva. Postoje dokazi da ultrazvuk također karakteriziraju antiseptička, vazodilatirajuća, apsorbirajuća i desenzibilizirajuća (antialergijska) svojstva. Uz to, ultrazvuk se može koristiti za poboljšanje propusnosti kože uz paralelnu primjenu dodatnih lijekova. Ova metoda terapije naziva se fonoforeza. Kada se radi, na pacijentovo tkivo se ne nanosi običan gel za ultrazvučnu emisiju, već lekovite supstance (lekovi ili prirodni sastojci). Zahvaljujući ultrazvuku, iscjeljujuće čestice prodiru duboko u tkivo.

U terapijske svrhe ultrazvuk se koristi drugačijom učestalošću nego u dijagnostici - od 800.000 do 3.000.000 vibracija u sekundi.

Kratka primjena ultrazvučne tehnologije

U medicinske svrhe koriste se različiti ultrazvučni uređaji. Neki od njih su namijenjeni samo za upotrebu u medicinskim ustanovama, dok se drugi mogu koristiti kod kuće. Potonji uključuju male ultrazvučne preparate koji emituju ultrazvuk u rasponu od 500-3000 kHz. Omogućuju vam da provodite kućne sesije fizikalne terapije, imaju protuupalni i analgetski učinak, poboljšavaju cirkulaciju krvi, stimuliraju resorpciju, zacjeljivanje površina rane, uklanjaju otekline i ožiljno tkivo, a također pomažu u uništavanju virusnih čestica itd.

Međutim, takvu ultrazvučnu tehnologiju treba koristiti samo nakon konzultacije s liječnikom, jer ima niz kontraindikacija za upotrebu.

Ovo je upotreba ultrazvuka u tehnologiji i medicini.

Ultrazvuk, uticaj na ljudski organizam

Ultrazvučna zaštita obuhvata upotrebu izolacionih kućišta i paravana, izolaciju zračećih instalacija, opreme za daljinsko upravljanje i upotrebu lične zaštitne opreme.

Ultrazvuk- ovo je područje akustičnih vibracija u opsegu od 18 kHz do 100 MHz i više. Ultrazvuk- elastične vibracije u mediju čija je frekvencija izvan ljudske čujnosti. Tipično, ultrazvuk se odnosi na frekvencije iznad 20.000 Herca. Iako je postojanje ultrazvuka poznato odavno, njegova praktična upotreba je prilično mlada. Ultrazvuk se danas široko koristi u raznim fizičkim i tehnološkim metodama. Dakle, brzina širenja zvuka u mediju se koristi za suđenje njegovih fizičkih karakteristika. Mjerenja brzine na ultrazvučnim frekvencijama omogućavaju određivanje, na primjer, adijabatskih karakteristika brzih procesa, specifičnog toplotnog kapaciteta gasova i elastičnih konstanti čvrstih tela, sa vrlo malim greškama.

Izvor ultrazvuka je oprema u kojoj se stvaraju ultrazvučne vibracije za obavljanje tehnoloških procesa, tehničke kontrole i mjerenja za industrijske, medicinske, kućne potrebe, kao i oprema pri čijem radu se ultrazvuk javlja kao srodni faktor. Prema spektralnim karakteristikama ultrazvučnih vibracija razlikuju se:

⇒ ultrazvuk niske frekvencije - 16-63 kHz (označene su srednje geometrijske frekvencije oktavnih opsega), širi se zrakom i kontaktom,

⇒ ultrazvuk srednje frekvencije - 125-250 kHz;

⇒ ultrazvuk visoke frekvencije - 1,0-31,5 MHz, širi se samo kontaktom.

Prema načinu širenja ultrazvučnih vibracija razlikuju se:

⇒ kontaktna metoda – ultrazvuk se širi kada ruke ili drugi dijelovi ljudskog tijela dođu u kontakt sa izvorom ultrazvuka;

⇒ vazdušna metoda - ultrazvuk putuje kroz vazduh.

Šišmiši su jedna od životinja koje koriste eholokaciju za navigaciju u svemiru. Izvlače ultrazvučne talase frekvencije od 40 do 100 kHz. Kada se ovi talasi emituju, mišići u ušima slepih miševa zatvaraju uši kako bi sprečili oštećenje slušnog sistema. Talasi koje proizvodi miš reflektiraju se od prepreka, insekata i drugih objekata. Miš hvata reflektirane valove i procjenjuje u kojem smjeru se nalazi prepreka ili plijen od njega.

Delfini također koriste eholokaciju. Oni su u stanju da emituju i primaju ultrazvučne talase sa frekvencijama do 300 kHz. Zahvaljujući tome mogu istraživati ​​prostor, otkrivati ​​prepreke, tražiti hranu, komunicirati jedni s drugima, pa čak i izražavati svoje emocionalno stanje.

Ultrazvuk

Ultrazvuk- elastične vibracije sa frekvencijom iznad granice čujnosti za ljude. Obično se ultrazvučnim opsegom smatraju frekvencije iznad 18.000 herca.

Iako je postojanje ultrazvuka poznato odavno, njegova praktična upotreba je prilično mlada. Ultrazvuk se danas široko koristi u raznim fizičkim i tehnološkim metodama. Dakle, brzina širenja zvuka u mediju se koristi za suđenje njegovih fizičkih karakteristika. Mjerenje brzine na ultrazvučnim frekvencijama omogućava određivanje, na primjer, adijabatskih karakteristika brzih procesa, specifičnog toplotnog kapaciteta gasova i elastičnih konstanti čvrstih tela sa vrlo malim greškama.

Izvori ultrazvuka

Frekvencija ultrazvučnih vibracija koje se koriste u industriji i biologiji je u rasponu od nekoliko MHz. Takve vibracije se obično stvaraju pomoću piezokeramičkih pretvarača od barij titanita. U slučajevima kada je snaga ultrazvučnih vibracija od primarnog značaja, obično se koriste mehanički ultrazvučni izvori. U početku su svi ultrazvučni talasi primani mehanički (kamponi, zviždaljke, sirene).

U prirodi se ultrazvuk nalazi i kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova (u buci vjetra, vodopada, kiše, u šumu kamenčića koje valja morska daska, u zvukovima koji prate grmljavinsko pražnjenje itd.), i među zvukovima životinjskog svijeta. Neke životinje koriste ultrazvučne valove za otkrivanje prepreka i navigaciju u svemiru.

Ultrazvučni emiteri se mogu podijeliti u dvije velike grupe. Prvi uključuje emitere-generatore; oscilacije u njima se pobuđuju zbog prisutnosti prepreka na putu stalnog toka - struje plina ili tekućine. Druga grupa emitera su elektroakustični pretvarači; oni pretvaraju već date fluktuacije električnog napona ili struje u mehaničke vibracije čvrstog tijela, koje emituje akustične valove u okolinu.

Galtonov zvižduk

Prvu ultrazvučnu zviždaljku napravio je 1883. Englez Galton. Ultrazvuk se ovdje stvara slično visokom zvuku na ivici noža kada mlaz zraka udari u njega. Ulogu takvog vrha u Galtonovom zviždaljku igra "usna" u maloj cilindričnoj rezonantnoj šupljini. Gas koji se potisne pod visokim pritiskom kroz šuplji cilindar pogađa ovu „usnu“; nastaju oscilacije čija je frekvencija (oko 170 kHz) određena veličinom mlaznice i usne. Snaga Galtonovog zvižduka je mala. Uglavnom se koristi za davanje komandi prilikom treninga pasa i mačaka.

Tečna ultrazvučna zviždaljka

Većina ultrazvučnih zviždaljki može se prilagoditi za rad u tečnim okruženjima. U poređenju sa električnim ultrazvučnim izvorima, tečne ultrazvučne zviždaljke su male snage, ali ponekad, na primer, za ultrazvučnu homogenizaciju, imaju značajnu prednost. Pošto ultrazvučni talasi nastaju direktno u tečnom mediju, nema gubitka energije od ultrazvučnih talasa pri prelasku iz jednog medija u drugi. Možda najuspješniji dizajn je tečna ultrazvučna zviždaljka koju su napravili engleski naučnici Cottel i Goodman početkom 50-ih godina 20. stoljeća. U njemu mlaz tekućine pod visokim pritiskom izlazi iz eliptične mlaznice i usmjerava se na čeličnu ploču. Različite modifikacije ovog dizajna postale su prilično raširene za dobivanje homogenih medija. Zbog jednostavnosti i stabilnosti njihovog dizajna (uništena je samo oscilirajuća ploča), takvi sistemi su izdržljivi i jeftini.

Sirena

Druga vrsta mehaničkog izvora ultrazvuka je sirena. Ima relativno veliku snagu i koristi se u policijskim i vatrogasnim vozilima. Sve rotacione sirene sastoje se od komore zatvorene na vrhu diskom (statorom) u kojoj je napravljen veliki broj rupa. Na disku koji rotira unutar komore - rotora, postoji isti broj rupa. Kako se rotor rotira, položaj rupa u njemu povremeno se poklapa sa položajem rupa na statoru. Komprimirani zrak se kontinuirano dovodi u komoru, koji izlazi iz nje u onim kratkim trenucima kada se rupe na rotoru i statoru poklapaju.

Glavni zadatak u proizvodnji sirena je, prvo, napraviti što više rupa u rotoru, a drugo, postići veliku brzinu rotacije. Međutim, u praksi je vrlo teško ispuniti oba ova zahtjeva.

Ultrazvuk u prirodi

Ultrazvučne aplikacije

Dijagnostička primjena ultrazvuka u medicini (ultrazvuk)

Zbog dobrog širenja ultrazvuka u mekim tkivima čovjeka, njegove relativne bezopasnosti u odnosu na rendgenske zrake i lakoće upotrebe u odnosu na magnetnu rezonancu, ultrazvuk se široko koristi za vizualizaciju stanja ljudskih unutrašnjih organa, posebno u trbušnoj i karličnoj šupljini. .

Terapeutske primjene ultrazvuka u medicini

Pored svoje široke upotrebe u dijagnostičke svrhe (vidi Ultrazvuk), ultrazvuk se u medicini koristi kao terapeutsko sredstvo.

Ultrazvuk ima sledeće efekte:

• protuupalno, upijajuće
• analgetik, antispazmodik
• kavitacija poboljšanje propusnosti kože

Fonoforeza je kombinovana metoda u kojoj se tkivo izlaže ultrazvuku i uz njegovu pomoć unesenim lekovitim supstancama (kako lekovima tako i prirodnog porekla). Provođenje tvari pod utjecajem ultrazvuka posljedica je povećanja propusnosti epidermisa i kožnih žlijezda, staničnih membrana i zidova krvnih žila za tvari male molekularne težine, posebno ione minerala bišofita. Pogodnost ultrafonoforeze lijekova i prirodnih supstanci:

• terapeutska supstanca se ne uništava kada se daje ultrazvukom
• sinergizam između ultrazvuka i medicinskih supstanci

Indikacije za fonoforezu bišofita: osteoartritis, osteohondroza, artritis, burzitis, epikondilitis, petna trna, stanja nakon povreda mišićno-koštanog sistema; Neuritis, neuropatije, radikulitis, neuralgije, povrede nerava.

Nanosi se bišofit gel i vrši se mikromasaža tretiranog područja pomoću radne površine emitera. Tehnika je labilna, uobičajena za ultrafonoforezu (kod UVF zglobova i kičme intenzitet u cervikalnoj regiji je 0,2-0,4 W/cm2, u torakalnoj i lumbalnoj regiji - 0,4-0,6 W/cm2).

Rezanje metala ultrazvukom

Na konvencionalnim mašinama za rezanje metala nemoguće je izbušiti usku rupu složenog oblika, na primjer, u obliku petokrake zvijezde, u metalnom dijelu. Uz pomoć ultrazvuka to je moguće; magnetostriktivni vibrator može izbušiti rupu bilo kojeg oblika. Ultrazvučno dlijeto u potpunosti zamjenjuje glodalicu. Štoviše, takvo dlijeto je mnogo jednostavnije od glodalice, a obrada metalnih dijelova njime je jeftinija i brža nego s glodalicom.

Ultrazvuk se čak može koristiti za pravljenje šrafova u metalnim dijelovima, staklu, rubinu i dijamantu. Tipično, navoj se prvo izrađuje od mekog metala, a zatim se dio stvrdne. Na ultrazvučnoj mašini navoji se mogu napraviti u već očvrslom metalu iu najtvrđim legurama. Isto je i sa markama. Pečat se obično stvrdne nakon što je pažljivo završen. Na ultrazvučnoj mašini najsloženija obrada se izvodi abrazivom (šmirgl, korundni prah) u polju ultrazvučnog talasa. Neprekidno oscilirajući u ultrazvučnom polju, čestice čvrstog praha seku se u leguru koja se obrađuje i izrezuje rupu istog oblika kao i dleto.

Priprema smjese ultrazvukom

Ultrazvuk se široko koristi za pripremu homogenih smjesa (homogenizacija). Davne 1927. godine američki naučnici Leamus i Wood otkrili su da ako se dvije tekućine koje se ne miješaju (na primjer, ulje i voda) sipaju u jednu čašu i ozrači ih ultrazvukom, u čaši nastaje emulzija, odnosno fina suspenzija ulja u vode. Takve emulzije igraju važnu ulogu u industriji: lakovi, boje, farmaceutski proizvodi, kozmetika.

Primjena ultrazvuka u biologiji

Sposobnost ultrazvuka da pukne ćelijske membrane našla je primjenu u biološkim istraživanjima, na primjer, kada je potrebno odvojiti ćeliju od enzima. Ultrazvuk se također koristi za ometanje unutarćelijskih struktura kao što su mitohondrije i hloroplasti kako bi se proučavao odnos između njihove strukture i funkcije. Druga upotreba ultrazvuka u biologiji odnosi se na njegovu sposobnost da izazove mutacije. Istraživanje provedeno u Oksfordu pokazalo je da čak i ultrazvuk niskog intenziteta može oštetiti molekulu DNK. Umjetno, ciljano stvaranje mutacija igra važnu ulogu u oplemenjivanju biljaka. Glavna prednost ultrazvuka u odnosu na druge mutagene (rendgenske zrake, ultraljubičaste zrake) je što je s njim izuzetno lako raditi.

Upotreba ultrazvuka za čišćenje

Upotreba ultrazvuka za mehaničko čišćenje zasniva se na pojavi različitih nelinearnih efekata u tečnosti pod njegovim uticajem. To uključuje kavitaciju, akustične tokove i zvučni pritisak. Kavitacija igra glavnu ulogu. Njegovi mjehurići, koji nastaju i kolabiraju u blizini zagađivača, uništavaju ih. Ovaj efekat je poznat kao kavitaciona erozija. Ultrazvuk koji se koristi u ove svrhe ima niske frekvencije i povećanu snagu.

U laboratorijskim i proizvodnim uslovima ultrazvučne kupke punjene rastvaračem (voda, alkohol itd.) koriste se za pranje sitnih delova i posuđa. Ponekad se uz njihovu pomoć ispere čak i korjenasto povrće (krompir, šargarepa, cvekla, itd.) Od čestica tla.

Primjena ultrazvuka u mjerenju protoka

Od 60-ih godina prošlog stoljeća ultrazvučni mjerači protoka se koriste u industriji za kontrolu protoka i obračun vode i rashladne tekućine.

Primjena ultrazvuka u detekciji mana

Ultrazvuk se dobro širi u nekim materijalima, što ga omogućava da se koristi za ultrazvučnu detekciju grešaka na proizvodima napravljenim od ovih materijala. Nedavno se razvija pravac ultrazvučne mikroskopije, koji omogućava proučavanje podzemnog sloja materijala sa dobrom rezolucijom.

Ultrazvučno zavarivanje

Ultrazvučno zavarivanje je zavarivanje pod pritiskom koje se izvodi pod uticajem ultrazvučnih vibracija. Ova vrsta zavarivanja koristi se za spajanje dijelova koji se teško zagrijavaju, odnosno kod spajanja različitih metala ili metala sa jakim oksidnim filmovima (aluminij, nehrđajući čelici, magnetna jezgra od permaloja itd.). Ultrazvučno zavarivanje se koristi u proizvodnji integrisanih kola.

Primjena ultrazvuka u galvanizaciji

Ultrazvuk se koristi za intenziviranje galvanskih procesa i poboljšanje kvaliteta premaza proizvedenih elektrohemijskim metodama.

Dmitry Levkin

Ultrazvuk- mehaničke vibracije koje se nalaze iznad frekventnog opsega koji se čuje ljudskom uhu (obično 20 kHz). Ultrazvučne vibracije putuju u talasnim oblicima, slično širenju svetlosti. Međutim, za razliku od svjetlosnih valova, koji mogu putovati u vakuumu, ultrazvuk zahtijeva elastičan medij kao što je plin, tekućina ili čvrsta supstanca.

, (3)

Za poprečne valove određuje se formulom

Disperzija zvuka- zavisnost fazne brzine monohromatskih zvučnih talasa od njihove frekvencije. Disperzija brzine zvuka može biti posljedica kako fizičkih svojstava medija tako i prisutnosti stranih inkluzija u njemu i prisutnosti granica tijela u kojem se širi zvučni val.

Vrste ultrazvučnih talasa

Većina ultrazvučnih tehnika koristi ili uzdužne ili posmične valove. Postoje i drugi oblici širenja ultrazvuka, uključujući površinske i Lambove talase.

Longitudinalni ultrazvučni talasi– valovi čiji se smjer prostiranja poklapa sa smjerom pomaka i brzinama čestica medija.

Transverzalni ultrazvučni talasi– valovi koji se šire u smjeru okomitom na ravan u kojoj leže smjerovi pomaka i brzine čestica tijela, isto kao i posmični valovi.

Površinski (Rayleigh) ultrazvučni talasi imaju eliptično kretanje čestica i rasprostranjene po površini materijala. Njihova brzina je približno 90% brzine prostiranja posmičnog talasa, a njihov prodor u materijal jednak je približno jednoj talasnoj dužini.

Lamb wave- elastični talas koji se širi u čvrstoj ploči (sloju) sa slobodnim granicama, u kojem se oscilatorno pomeranje čestica dešava i u pravcu širenja talasa i okomito na ravan ploče. Lamb talasi su jedna od vrsta normalnih talasa u elastičnom talasovodu - u ploči sa slobodnim granicama. Jer ovi valovi moraju zadovoljiti ne samo jednadžbe teorije elastičnosti, već i granične uvjete na površini ploče; obrazac kretanja u njima i njihova svojstva su složeniji od onih kod valova u neograničenim čvrstim tvarima.

Vizualizacija ultrazvučnih talasa

Za ravan sinusoidni putujući val, intenzitet ultrazvuka I je određen formulom

, (5)

IN sferni putujući talas Intenzitet ultrazvuka je obrnuto proporcionalan kvadratu udaljenosti od izvora. IN stojeći talas I = 0, tj. u prosjeku nema protoka zvučne energije. Intenzitet ultrazvuka u harmonijski ravan putujući talas jednaka gustoći energije zvučnog talasa pomnoženoj sa brzinom zvuka. Protok zvučne energije karakteriše tzv Umov vektor- vektor gustine fluksa energije zvučnog talasa, koji se može predstaviti kao proizvod intenziteta ultrazvuka i vektora normale talasa, tj. jedinični vektor okomit na front talasa. Ako je zvučno polje superpozicija harmonijskih valova različitih frekvencija, tada za vektor prosječne gustine toka energije zvuka postoji aditivnost komponenti.

Oni govore o emiterima koji stvaraju ravan talas intenzitet zračenja, što znači ovim gustina snage emitera, odnosno snagu zvuka zračenja po jedinici površine zračeće površine.

Intenzitet zvuka se mjeri u SI jedinicama u W/m2. U ultrazvučnoj tehnologiji, raspon promjena intenziteta ultrazvuka je vrlo velik - od graničnih vrijednosti od ~10 -12 W/m2 do stotina kW/m2 u fokusu ultrazvučnih koncentratora.

Tabela 1 - Svojstva nekih uobičajenih materijala

Materijal	Gustina, kg/m 3	Uzdužna brzina talasa, m/s	Brzina posmičnog talasa, m/s	, 10 3 kg/(m 2 *s)
Akril	1180	2670	-	3,15
Zrak	0,1	330	-	0,00033
Aluminijum	2700	6320	3130	17,064
Brass	8100	4430	2120	35,883
Bakar	8900	4700	2260	41,830
Staklo	3600	4260	2560	15,336
Nikl	8800	5630	2960	49,544
poliamid (najlon)	1100	2620	1080	2,882
Čelik (niskolegirani)	7850	5940	3250	46,629
Titanijum	4540	6230	3180	26,284
Tungsten	19100	5460	2620	104,286
voda (293K)	1000	1480	-	1,480

Prigušenje ultrazvuka

Jedna od glavnih karakteristika ultrazvuka je njegovo slabljenje. Prigušenje ultrazvuka je smanjenje amplitude i, prema tome, zvučnog talasa kako se širi. Slabljenje ultrazvuka nastaje iz više razloga. Glavni su:

Prvi od ovih razloga je zbog činjenice da kako se val širi iz točkastog ili sfernog izvora, energija koju emituje izvor raspoređuje se na sve veću površinu fronta vala i, shodno tome, protok energije kroz jedinicu površina se smanjuje, tj. . Za sferni talas čija se talasna površina povećava sa rastojanjem r od izvora kao r 2, amplituda talasa opada proporcionalno, a za cilindrični talas - proporcionalno.

Koeficijent slabljenja se izražava ili u decibelima po metru (dB/m) ili u decibelima po metru (Np/m).

Za ravan val, koeficijent slabljenja amplitude s rastojanjem je određen formulom

, (6)

Određuje se koeficijent slabljenja u odnosu na vrijeme

, (7)

Jedinica dB/m se također koristi za mjerenje koeficijenta, u ovom slučaju

, (8)

Decibel (dB) je logaritamska jedinica mjerenja omjera energija ili snaga u akustici.

, (9)

• gdje je A 1 amplituda prvog signala,
• A 2 – amplituda drugog signala

Tada će odnos između mjernih jedinica (dB/m) i (1/m) biti:

Refleksija ultrazvuka sa interfejsa

Kada zvučni val padne na sučelje, dio energije će se reflektirati u prvi medij, a ostatak energije će preći u drugi medij. Odnos između reflektirane energije i energije koja prelazi u drugi medij određen je valnim impedancijama prvog i drugog medija. U nedostatku disperzije brzine zvuka karakteristična impedansa ne zavisi od valnog oblika i izražava se formulom:

Koeficijenti refleksije i transmisije će se odrediti na sljedeći način

, (12)

, (13)

• gdje je D koeficijent prijenosa zvučnog pritiska

Također je vrijedno napomenuti da ako je drugi medij akustički „mekši“, tj. Z 1 >Z 2, tada se pri refleksiji faza talasa menja za 180˚.

Koeficijent prijenosa energije iz jednog medija u drugi određen je odnosom intenziteta vala koji prolazi u drugi medij i intenziteta upadnog vala

, (14)

Interferencija i difrakcija ultrazvučnih talasa

Smetnje zvuka- neujednačena prostorna distribucija amplitude rezultujućeg zvučnog talasa u zavisnosti od odnosa između faza talasa koji se razvijaju u jednoj ili drugoj tački u prostoru. Kada se dodaju harmonijski talasi iste frekvencije, rezultujuća prostorna distribucija amplituda formira vremenski neovisan interferencijski obrazac, koji odgovara promeni u razlici faza komponentnih talasa pri kretanju od tačke do tačke. Za dva interferirajuća vala, ovaj obrazac na ravni ima oblik naizmjeničnih pojaseva pojačanja i slabljenja amplitude vrijednosti koja karakterizira zvučno polje (na primjer, zvučni pritisak). Za dva ravna talasa, pruge su pravolinijske sa amplitudom koja varira po prugama u skladu sa promjenom razlike u fazi. Važan poseban slučaj interferencije je dodavanje ravnog talasa sa njegovom refleksijom od ravne granice; u ovom slučaju se formira stojni val sa ravnima čvorova i antičvorova koji se nalaze paralelno s granicom.

Difrakcija zvuka- odstupanje ponašanja zvuka od zakona geometrijske akustike, zbog talasne prirode zvuka. Rezultat difrakcije zvuka je divergencija ultrazvučnih zraka pri udaljavanju od emitera ili nakon prolaska kroz rupu na ekranu, savijanje zvučnih valova u područje sjene iza prepreka velikih u odnosu na valnu dužinu, odsustvo sjene iza prepreke male u odnosu na talasnu dužinu itd. n. Zvučna polja nastala difrakcijom izvornog talasa na preprekama postavljenim u medijumu, na nehomogenostima same sredine, kao i na nepravilnostima i nehomogenostima granica sredine, nazivaju se razbacana polja. Za objekte na kojima se javlja difrakcija zvuka koji su veliki u odnosu na talasnu dužinu, stepen odstupanja od geometrijskog uzorka zavisi od vrednosti parametra talasa

, (15)

• gdje je D prečnik objekta (na primjer, prečnik ultrazvučnog emitera ili prepreke),
• r - udaljenost tačke posmatranja od ovog objekta

Ultrazvučni emiteri

Ultrazvučni emiteri- uređaji koji se koriste za pobuđivanje ultrazvučnih vibracija i talasa u gasovitim, tečnim i čvrstim medijima. Ultrazvučni emiteri pretvaraju energiju neke druge vrste u energiju.

Najrasprostranjeniji su ultrazvučni emiteri elektroakustički pretvarači. U velikoj većini ultrazvučnih emitera ovog tipa, odnosno u piezoelektrični pretvarači , magnetostriktivni pretvarači, elektrodinamički emiteri, elektromagnetnih i elektrostatičkih emitera, električna energija se pretvara u energiju vibracija čvrstog tijela (zračeća ploča, štap, dijafragma itd.), koje emituje akustične valove u okolinu. Svi navedeni pretvarači su po pravilu linearni, te stoga oscilacije sistema zračenja reproduciraju uzbudljiv električni signal u obliku; Samo pri vrlo velikim amplitudama oscilacija blizu gornje granice dinamičkog opsega ultrazvučnog emitera može doći do nelinearnih izobličenja.

Konvertori dizajnirani da emituju monohromatske talase koriste ovaj fenomen rezonancija: rade na jednoj od prirodnih oscilacija mehaničkog oscilatornog sistema, na čiju frekvenciju je podešen generator električnih oscilacija, uzbudljiv pretvarač. Elektroakustički pretvarači koji nemaju čvrsti sistem zračenja koriste se relativno rijetko kao ultrazvučni emiteri; tu spadaju, na primjer, ultrazvučni emiteri zasnovani na električnom pražnjenju u tekućini ili na elektrostrikciji tekućine.

Karakteristike ultrazvučnog emitera

Glavne karakteristike ultrazvučnih emitera uključuju njihovu frekvencijski spektar, emitovano snaga zvuka, usmjerenost zračenja. U slučaju monofrekventnog zračenja, glavne karakteristike su radna frekvencija ultrazvučni emiter i njegov frekvencijski opseg, čije su granice određene padom snage zračenja za polovicu u odnosu na njenu vrijednost na frekvenciji maksimalnog zračenja. Za rezonantne elektroakustičke pretvarače radna frekvencija je prirodna frekvencija f 0 pretvarač, i Širina linijeΔf je određen svojim faktor kvaliteta Q.

Ultrazvučni emiteri (elektroakustični pretvarači) odlikuju se osjetljivošću, elektroakustičkom efikasnošću i vlastitom električnom impedancijom.

Osetljivost ultrazvučnog emitera- omjer zvučnog tlaka na maksimalnoj usmjerenoj karakteristici na određenoj udaljenosti od emitera (najčešće na udaljenosti od 1 m) prema električnom naponu na njemu ili prema struji koja teče u njemu. Ova karakteristika se odnosi na ultrazvučne emitere koji se koriste u audio alarmnim sistemima, sonarima i drugim sličnim uređajima. Kod emitera u tehnološke svrhe, koji se koriste, na primjer, u ultrazvučnom čišćenju, koagulaciji i utjecaju na kemijske procese, glavna karakteristika je snaga. Uz ukupnu snagu zračenja, procijenjenu u W, ultrazvučni emiteri karakteriziraju specifične snage, odnosno prosječna snaga po jedinici površine emitivne površine, odnosno prosječni intenzitet zračenja u bliskom polju, procijenjen u W/m2.

Efikasnost elektroakustičnih pretvarača koji emituju akustičnu energiju u ozvučeno okruženje karakteriše njihova veličina elektroakustička efikasnost, što je omjer emitovane akustične snage i utrošene električne energije. U akustoelektronici, za procjenu efikasnosti ultrazvučnih emitera, koristi se takozvani koeficijent električnog gubitka, jednak omjeru (u dB) električne snage i akustične snage. Efikasnost ultrazvučnih alata koji se koriste u ultrazvučnom zavarivanju, mašinskoj obradi i slično karakteriše tzv. koeficijent efikasnosti, koji predstavlja odnos kvadrata amplitude oscilatornog pomaka na radnom kraju koncentratora i utrošene električne energije. pomoću pretvarača. Ponekad se efektivni koeficijent elektromehaničke sprege koristi za karakterizaciju konverzije energije u ultrazvučnim emiterima.

Emiter zvučnog polja

Zvučno polje pretvarača je podijeljeno u dvije zone: blisku zonu i daleku zonu. Blizina zone ovo je područje direktno ispred pretvarača gdje amplituda eha prolazi kroz niz maksimuma i minimuma. Bliska zona završava na posljednjem maksimumu, koji se nalazi na udaljenosti N od pretvarača. Poznato je da je lokacija posljednjeg maksimuma prirodni fokus pretvarača. Daleka zona Ovo je područje iza N, gdje se pritisak zvučnog polja postepeno smanjuje na nulu.

Položaj posljednjeg maksimuma N na akustičnoj osi, pak, ovisi o promjeru i talasnoj dužini, a za kružni disk emiter se izražava formulom

, (17)

Međutim, pošto je D obično mnogo veći, jednačina se može pojednostaviti na oblik

Karakteristike zvučnog polja određene su dizajnom ultrazvučnog pretvarača. Shodno tome, širenje zvuka u proučavanom području i osjetljivost senzora zavise od njegovog oblika.

Ultrazvučne aplikacije

Različite primjene ultrazvuka, u kojima se koriste njegove različite karakteristike, mogu se podijeliti u tri područja. povezan je sa dobijanjem informacija putem ultrazvučnih talasa, - sa aktivnim uticajem na materiju, i - sa obradom i prenosom signala (pravci su navedeni po redosledu njihovog istorijskog formiranja). Za svaku specifičnu primjenu koristi se ultrazvuk određenog frekvencijskog raspona.

Razvojem akustike krajem 19. stoljeća otkriven je ultrazvuk, a u isto vrijeme počinju i prva istraživanja ultrazvuka, ali su temelji njegove primjene postavljeni tek u prvoj trećini 20. stoljeća.

Ultrazvuk i njegova svojstva

U prirodi se ultrazvuk nalazi kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova: u buci vjetra, vodopada, kiše, morskih kamenčića koje je kotrljao surf, te u grmljavini. Mnogi sisari, poput mačaka i pasa, imaju sposobnost percepcije ultrazvuka frekvencije do 100 kHz, a lokacijske sposobnosti slepih miševa, noćnih insekata i morskih životinja su svima dobro poznate.

Ultrazvuk- mehaničke vibracije koje se nalaze iznad frekventnog opsega koji se čuje ljudskom uhu (obično 20 kHz). Ultrazvučne vibracije putuju u talasnim oblicima, slično širenju svetlosti. Međutim, za razliku od svjetlosnih valova, koji mogu putovati u vakuumu, ultrazvuk zahtijeva elastičan medij kao što je plin, tekućina ili čvrsta supstanca.

Glavni parametri talasa su talasna dužina, frekvencija i period. Ultrazvučni talasi se po svojoj prirodi ne razlikuju od talasa u čujnom opsegu i poštuju iste fizičke zakone. Ali ultrazvuk ima specifične karakteristike koje su odredile njegovu široku upotrebu u nauci i tehnologiji. Evo glavnih:

• 1. Kratka talasna dužina. Za najniži ultrazvučni opseg, talasna dužina ne prelazi nekoliko centimetara u većini medija. Kratka talasna dužina određuje prirodu zraka širenja ultrazvučnih talasa. U blizini emitera, ultrazvuk se širi u obliku snopa sličnih veličini emitera. Kada udari u nehomogenosti u mediju, ultrazvučni snop se ponaša kao svjetlosni snop, doživljavajući refleksiju, prelamanje i rasipanje, što omogućava formiranje zvučnih slika u optički neprozirnim medijima koristeći čisto optičke efekte (fokusiranje, difrakcija, itd.).
• 2. Kratak period oscilovanja, koji omogućava emitovanje ultrazvuka u obliku impulsa i vršenje precizne vremenske selekcije propagirajućih signala u medijumu.

Mogućnost dobijanja visokih vrednosti energije vibracija pri maloj amplitudi, jer energija vibracije je proporcionalna kvadratu frekvencije. Ovo omogućava stvaranje ultrazvučnih zraka i polja sa visokim nivoom energije, bez potrebe za velikom opremom.

U ultrazvučnom polju se razvijaju značajne akustične struje. Dakle, uticaj ultrazvuka na okolinu izaziva specifične efekte: fizičke, hemijske, biološke i medicinske. Kao što su kavitacija, zvučni kapilarni efekat, disperzija, emulzifikacija, otplinjavanje, dezinfekcija, lokalno grijanje i mnogi drugi.

Potrebe ratne mornarice vodećih sila - Engleske i Francuske, za istraživanjem morskih dubina, izazvale su interesovanje mnogih naučnika iz oblasti akustike, jer Ovo je jedini tip signala koji može daleko putovati u vodi. Tako je 1826. godine francuski naučnik Colladon odredio brzinu zvuka u vodi. Godine 1838. u SAD-u je zvuk prvi put korišten za određivanje profila morskog dna u svrhu polaganja telegrafskog kabla. Rezultati eksperimenta bili su razočaravajući. Zvuk zvona davao je preslab odjek, gotovo nečujan među ostalim zvukovima mora. Bilo je potrebno ići u područje viših frekvencija, omogućavajući stvaranje usmjerenih zvučnih zraka.

Prvi ultrazvučni generator napravio je 1883. godine Englez Francis Galton. Ultrazvuk je nastao kao zviždaljka na ivici noža kada dunute na njega. Ulogu takvog vrha u Galtonovom zvižduku igrao je cilindar oštrih ivica. Vazduh ili drugi gas koji je izlazio pod pritiskom kroz prstenastu mlaznicu prečnika istog prečnika kao ivica cilindra je izlazio na ivicu i dolazilo je do visokofrekventnih oscilacija. Puhanjem u zviždaljku vodonikom bilo je moguće dobiti oscilacije do 170 kHz.

Godine 1880. Pierre i Jacques Curie su napravili odlučujuće otkriće za ultrazvučnu tehnologiju. Braća Curie primijetili su da kada se pritisak primjenjuje na kristale kvarca, stvara se električni naboj koji je direktno proporcionalan sili primijenjenoj na kristal. Ovaj fenomen je nazvan "piezoelektricitet" od grčke riječi koja znači "pritisnuti". Oni su također demonstrirali inverzni piezoelektrični efekat, koji se dogodio kada se na kristal primijenio električni potencijal koji se brzo mijenja, uzrokujući da on vibrira. Od sada je tehnički moguće proizvoditi ultrazvučne predajnike i prijemnike malih dimenzija.

Smrt Titanika od sudara sa santom leda i potreba za borbom protiv novog oružja - podmornica - zahtijevali su brz razvoj ultrazvučne hidroakustike. Godine 1914. francuski fizičar Paul Langevin, zajedno s talentiranim ruskim emigrantskim naučnikom Konstantinom Vasiljevičem Šilovskim, prvi je razvio sonar koji se sastoji od ultrazvučnog emitera i hidrofona - prijemnika ultrazvučnih vibracija, zasnovanog na piezoelektričnom efektu. Sonar Langevin - Shilovsky, bio je prvi ultrazvučni uređaj, koji se koristi u praksi. Istovremeno, ruski naučnik S.Ya.Sokolov razvio je osnove ultrazvučne detekcije grešaka u industriji. Godine 1937. njemački psihijatar Karl Dussick, zajedno sa svojim bratom Friedrichom, fizičarem, prvi je koristio ultrazvuk za otkrivanje tumora na mozgu, ali rezultati koje su dobili ispostavili su se nepouzdanima. U medicinskoj praksi ultrazvuk se prvi put počeo koristiti tek 50-ih godina 20. stoljeća u SAD-u.