Ak sa v spojitom médiu - plynoch, kvapalinách alebo pevných látkach ukáže, že častice média sú odstránené z rovnovážnej polohy, potom elastické sily pôsobiace na ne od iných častíc ich vrátia do rovnovážnej polohy. V tomto prípade budú častice oscilovať. Šírenie elastických vibrácií v spojitom prostredí je proces podobný vlnám.
Nazývajú sa oscilácie s frekvenciou od jednotiek Hertz (Hz) do 20 Hertzov infrazvukové, pri frekvencii 20 Hz až 16 ... 20 kHz sa vytvárajú oscilácie počuteľné zvuky. ultrazvukové vibrácie zodpovedajú frekvenciám od 16 ... 20 kHz do 10 8 Hz a oscilácie s frekvenciou vyššou ako 10 8 Hz sú tzv. hypersonický. Obrázok 1.1 ukazuje logaritmickú frekvenčnú stupnicu založenú na výraze log 2 f = 1, 2, 3 …, n, kde 1, 2, 3 ..., č sú oktávové čísla.

Obrázok 1.1 - Rozsahy elastických vibrácií v materiálových médiách

Fyzikálna podstata elastických kmitov je rovnaká v celom frekvenčnom rozsahu. Aby ste pochopili povahu elastických vibrácií, zvážte ich vlastnosti.
Tvar vlny je tvar čela vlny, t.j. množina bodov, ktoré majú rovnakú fázu. Vibrácie roviny vytvárajú rovinnú zvukovú vlnu, ak sa valec periodicky stláča a rozťahuje v smere svojho polomeru, vzniká valcová vlna. Bodový žiarič alebo pulzujúca guľa, ktorej rozmery sú malé v porovnaní s vlnovou dĺžkou emitovanej vlny, generuje sférickú vlnu.

Zvukové vlny sú klasifikované podľa vlnový typ : môžu byť pozdĺžne, priečne, ohybové, torzné - v závislosti od podmienok budenia a šírenia. V kvapalinách a plynoch sa šíria len pozdĺžne vlny, v pevných látkach sa môžu vyskytovať aj priečne a iné z vymenovaných druhov vĺn. V pozdĺžnej vlne sa smer kmitov častíc zhoduje so smerom šírenia vlny (obrázok 1.2, a), priečna vlna sa šíri kolmo na smer oscilácií častíc (obrázok 1.2, b) .

a) pohyb častíc média pri šírení pozdĺžnej vlny; b) pohyb častíc média pri šírení priečnej vlny.

Obrázok 1.2 - Pohyb častíc pri šírení vlny

Akékoľvek vlnenie, ako kmitanie šíriace sa v čase a priestore, možno charakterizovať frekvencia , vlnová dĺžka a amplitúda (Obrázok 3) . V tomto prípade vlnová dĺžka λ súvisí s frekvenciou f cez rýchlosť šírenia vĺn v danom materiáli c: λ = c/f.

Obrázok 1.3 - Charakteristika oscilačného procesu

1.6 Praktická aplikácia nízkoenergetických ultrazvukových vibrácií

Oblasť použitia ultrazvukových vibrácií s nízkou intenzitou (podmienečne do 1 W/cm 2 ) je veľmi rozsiahla a budeme postupne uvažovať o niekoľkých hlavných použitiach ultrazvukových vibrácií s nízkou intenzitou.
1. Ultrazvukové zariadenia na monitorovanie chemických vlastností rôzne materiály a prostredia. Všetky sú založené na zmene rýchlosti ultrazvukových vibrácií v médiu a umožňujú:
- určiť koncentráciu binárnych zmesí;
- hustota roztokov;
- stupeň polymerizácie polymérov;
- prítomnosť nečistôt, plynových bublín v roztokoch;
- určiť rýchlosť chemických reakcií;
- obsah tuku v mlieku, smotane, kyslej smotane;
- disperzia v heterogénnych systémoch a pod.
Rozlišovacia schopnosť moderných ultrazvukových prístrojov je 0,05 %, presnosť merania rýchlosti šírenia na vzorkách dlhých 1 m je 0,5 -1 m/s (rýchlosť v kove je viac ako 5000 m/s). Takmer všetky merania sa vykonávajú porovnaním s normou.
2. Prístroje na kontrolu fyzikálnych a chemických vlastností na základe meraní útlmu ultrazvuku. Takéto zariadenia umožňujú meranie viskozity, meranie hustoty, zloženia, obsahu nečistôt, plynov atď. Použité metódy vychádzajú aj z metód porovnávania s normou.
3. Ultrazvukové prietokomery na kvapaliny v potrubiach. Ich pôsobenie je tiež založené na meraní rýchlosti šírenia ultrazvukových vibrácií pozdĺž prúdu tekutiny a proti prúdu. Porovnanie dvoch rýchlostí umožňuje určiť prietok a pri známom úseku potrubia prietok. Príklad jedného z prietokomerov (č. 15183 v Štátnom registri meradiel) je na obrázku 1.4.

Obrázok 1.4 - Stacionárny ultrazvukový prietokomer "AKRON"

Takýto prietokomer zabezpečuje meranie objemového prietoku a celkového objemu (množstva) kvapalín prúdiacich v tlakových potrubiach vodovodných, kanalizačných a ropných produktov bez napojenia na existujúce potrubie. Princíp činnosti prietokomeru je zmerať rozdiel v čase prechodu ultrazvukovej vlny pozdĺž prúdu a proti prúdu riadenej kvapaliny, prepočítať ho na okamžitý prietok a následne ho integrovať.
Chyba prístroja je 2% hornej hranice merania. Hornú a dolnú hranicu merania nastavuje operátor. Prietokomer obsahuje snímačovú jednotku (pozostáva z dvoch ultrazvukových snímačov a zariadenia na ich montáž na potrubie) a elektronickú jednotku prepojenú rádiofrekvenčným káblom s dĺžkou až 50 m (štandard - 10 m.). Snímače sa inštalujú na rovný úsek potrubia na vonkajšom povrchu, očistený od nečistôt, farby a hrdze. Podmienkou pre správnu inštaláciu snímačov je prítomnosť rovného úseku potrubia minimálne 10 priemerov potrubia - pred a 5 priemerov - za snímačmi.
4. Indikátory úrovne
Princíp činnosti je založený na lokalizácii hladiny kvapalných alebo sypkých materiálov ultrazvukovými impulzmi prechádzajúcimi plynným prostredím a na jave odrazu týchto impulzov od rozhrania "plyn - riadené médium". V tomto prípade je mierou úrovne čas šírenia zvukových vibrácií z vysielača do riadeného rozhrania medzi médiom a späť do prijímača. Výsledok merania je zobrazený na osobnom počítači, kde sú uložené všetky merania s následnou možnosťou ich prezerania a analýzy, ako aj napojenia na automatizovaný systém zberu a spracovania dát. Hladinomer ako súčasť systému môže obsahovať koncové automaty, čerpadlá a iné zariadenia na úrovniach nad maximálnou a pod minimálnou hodnotou, čo umožňuje automatizáciu technologického procesu. Okrem toho je vytvorený prúdový výstup (0,5 mA, 0-20 mA) pre samonahrávacie zariadenia.
Ukazovateľ hladiny umožňuje kontrolovať teplotu média v nádržiach. Hlavným výstupným formátom je vzdialenosť od vrchu nádrže k povrchu látky, ktorú obsahuje. Na želanie zákazníka pri poskytnutí potrebných informácií je možné zariadenie spresniť na zobrazenie výšky, hmotnosti alebo objemu látky v nádrži.
5. Ultrazvukové analyzátory zloženia plynu sú založené na využití závislosti rýchlosti ultrazvuku v zmesi plynov na rýchlostiach v každom z plynov tvoriacich túto zmes.
6. Bezpečnostné ultrazvukové prístroje sú založené na meraní rôznych parametrov ultrazvukových polí (amplitúdy kmitov pri zablokovaní priestoru medzi vysielačom a prijímačom, zmeny frekvencie pri odraze od pohybujúceho sa objektu a pod.).
7. Merače teploty plynu a požiarne hlásiče založené na zmene rýchlosti šírenia v dôsledku zmien okolitej teploty alebo výskytu dymu.
8. Zariadenia na ultrazvukové nedeštruktívne skúšanie. Nedeštruktívne skúšanie je jednou z hlavných technologických metód na zabezpečenie kvality materiálov a výrobkov. Žiadny výrobok by sa nemal používať bez kontroly. Je možné vykonať overenie testovaním, ale týmto spôsobom je možné testovať 1-10 produktov, ale nie je možné skontrolovať 100% všetkých produktov, pretože kontrola - to znamená pokaziť všetky produkty. Preto je potrebné kontrolovať bez zničenia.
Jednou z najlacnejších, najjednoduchších a najcitlivejších je ultrazvuková metóda nedeštruktívneho testovania. Hlavné výhody v porovnaní s inými nedeštruktívnymi testovacími metódami sú:

- detekcia defektov nachádzajúcich sa hlboko vo vnútri materiálu, čo bolo možné vďaka zlepšenej penetračnej schopnosti. Ultrazvukové vyšetrenie sa vykonáva do hĺbky niekoľkých metrov. Kontrole podliehajú rôzne výrobky, napr.: dlhé oceľové tyče, rotačné výkovky atď.;
- vysoká citlivosť pri detekcii extrémne malých defektov s dĺžkou niekoľkých milimetrov;
- presné určenie miesta vnútorných defektov, posúdenie ich veľkosti, charakteristika smeru, tvaru a povahy;
- dostatočný prístup len k jednej zo strán výrobku;
- riadenie procesu elektronickými prostriedkami, ktoré poskytuje takmer okamžitú detekciu chýb;
- objemové skenovanie, ktoré vám umožňuje preskúmať objem materiálu;
- nedostatok požiadaviek na zdravotné opatrenia;
- prenosnosť zariadenia.

1.7 Praktická aplikácia vysokointenzívnych ultrazvukových vibrácií

Hlavné procesy realizované a zintenzívnené pomocou vysokoenergetických ultrazvukových vibrácií sa doteraz zvyčajne delia do troch hlavných podskupín v závislosti od typu prostredia, v ktorom sú realizované (obrázok 1.5).

Obrázok 1.5 - Použitie vysokoenergetických ultrazvukových vibrácií

V závislosti od typu prostredia sú procesy podmienene rozdelené na procesy v kvapalných, pevných a termoplastických materiáloch a plynných (vzduchových) médiách. V nasledujúcich častiach sa budeme podrobnejšie zaoberať procesmi a zariadeniami na intenzifikáciu procesov v kvapalných, pevných a termoplastických materiáloch, plynných médiách.
Ďalej zvážime príklady hlavných technológií implementovaných pomocou vysokoenergetických ultrazvukových vibrácií.
1. Rozmerové spracovanie.

Ultrazvukové vibrácie sa používajú na spracovanie krehkých a extra tvrdých materiálov a kovov.
Hlavné technologické procesy zintenzívnené ultrazvukovými vibráciami sú vŕtanie, zahlbovanie, závitovanie, ťahanie drôtu, leštenie, brúsenie, vŕtanie zložitých tvarov. K zintenzívneniu týchto technologických procesov dochádza v dôsledku pôsobenia ultrazvukových vibrácií na nástroj.
2. Ultrazvukové čistenie.
Dnes existuje veľa spôsobov, ako vyčistiť povrchy od rôznych nečistôt. Ultrazvukové čistenie je rýchlejšie, poskytuje vysokú kvalitu a čistí ťažko dostupné miesta. Tým je zabezpečená náhrada vysoko toxických, horľavých a drahých rozpúšťadiel obyčajnou vodou.
Pomocou vysokofrekvenčných ultrazvukových vibrácií sa karburátory a vstrekovače áut vyčistia za pár minút.
Dôvodom urýchlenia čistenia je kavitácia, zvláštny jav, pri ktorom sa v kvapaline tvoria drobné bublinky plynu. Tieto bubliny prasknú (explodujú) a vytvárajú silné vodné prúdy, ktoré zmyjú všetku špinu. Na tomto princípe dnes existujú práčky a malé umývacie zariadenia. Vlastnosti implementácie kavitačného procesu a jeho možnosti sa budú posudzovať samostatne. Ultrazvuk čistí kovy od leštiacich pást, valcovaný kov od vodného kameňa, drahé kamene z leštiacich miest. Čistenie tlačových platní, pranie látok, umývanie ampuliek. Čistenie potrubí zložitého tvaru. Okrem čistenia je ultrazvuk schopný odstraňovať malé otrepy a leštiť.
Ultrazvukové pôsobenie v tekutých médiách ničí mikroorganizmy, a preto je široko používané v medicíne a mikrobiológii.
Je možná aj iná implementácia ultrazvukového čistenia.
- čistenie dymu od pevných častíc vo vzduchu. Na to sa využívajú aj ultrazvukové efekty na hmlu a dym. Častice v ultrazvukovom poli sa začnú aktívne pohybovať, zrážať a lepiť sa spolu, ukladajú sa na stenách. Tento jav sa nazýva ultrazvuková koagulácia a používa sa na boj proti hmle na letiskách, cestách a námorných prístavoch.
3. Ultrazvukové zváranie.
V súčasnosti sa pomocou ultrazvukových vibrácií vysokej intenzity zvárajú polymérne termoplastické materiály. Zváranie polyetylénových rúr, škatúľ, pohárov poskytuje vynikajúcu tesnosť. Na rozdiel od iných metód je možné pomocou ultrazvuku vyvárať znečistené plasty, rúrky s kvapalinou a pod. V tomto prípade sa obsah sterilizuje.
Pomocou ultrazvukového zvárania sa najtenšia fólia alebo drôt privarí na kovovú časť. Okrem toho je ultrazvukové zváranie zváraním za studena, pretože šev sa vytvára pri teplote pod bodom topenia. Zváraním sa teda spája hliník, tantal, zirkónium, niób, molybdén atď.
V súčasnosti našlo ultrazvukové zváranie najväčšie uplatnenie pri vysokorýchlostných baliacich procesoch a výrobe polymérnych obalových materiálov.
4. Spájkovanie a cínovanie
Hliník je spájkovaný pomocou vysokofrekvenčných ultrazvukových vibrácií. Pomocou ultrazvuku môžete pocínovať a následne spájkovať keramiku, sklo, čo bolo predtým nemožné. Ferity, spájkovanie polovodičových kryštálov do pozlátených púzdier, sú dnes implementované pomocou ultrazvukovej technológie.
5. Ultrazvuk v modernej chémii
V súčasnosti, ako vyplýva z literatúry, sa v chémii sformoval nový smer - ultrazvuková chémia. Štúdiom chemických transformácií, ktoré sa vyskytujú pri pôsobení ultrazvuku, vedci zistili, že ultrazvuk nielen urýchľuje oxidáciu, ale v niektorých prípadoch poskytuje aj redukčný účinok. Železo sa teda redukuje z oxidov a solí.
Dobré pozitívne výsledky sa dosiahli pri intenzifikácii ultrazvuku nasledujúcich chemicko-technologických procesov:
- elektrolytické nanášanie, polymerizácia, depolymerizácia, oxidácia, redukcia, dispergácia, emulgácia, aerosólová koagulácia, homogenizácia, impregnácia, rozpúšťanie, striekanie, sušenie, spaľovanie, činenie atď.
Elektrodepozícia - nanesený kov získava jemnozrnnú štruktúru, znižuje sa pórovitosť. Vykonáva sa teda pokovovanie medi, cínovanie, striebrenie. Proces je rýchlejší a kvalita náteru je vyššia ako pri bežných technológiách.
Získanie emulzií: voda a tuk, voda a éterické oleje, voda a ortuť. Bariéru nemiešateľnosti prekonávajú USA.
Polymerizácia (spojenie molekúl do jednej) – stupeň polymerizácie je regulovaný frekvenciou ultrazvuku.
Disperzia - získanie ultra jemných pigmentov na získanie farbív.
Sušenie - bez zahrievania biologicky aktívnych látok. V potravinárskom, farmaceutickom priemysle.
Striekanie kvapalín a tavenín. Intenzifikácia procesov v rozprašovacích sušičkách. Získavanie kovového prášku z tavenín. Tieto striekacie zariadenia eliminujú rotujúce a trecie časti.
Ultrazvuk zvyšuje účinnosť spaľovania kvapalných a pevných palív 20-krát.
Impregnácia. Kvapalina prechádza stokrát rýchlejšie cez kapiláry impregnovaného materiálu. Používa sa pri výrobe strešných krytín, podvalov, cementových dosiek, textolitu, getinakov, impregnácie dreva modifikovanými živicami
6. Ultrazvuk v metalurgii.
- Je známe, že pri tavení kovy absorbujú plyny hliníka a jeho zliatin. 80 % všetkých plynov v roztavenom kove je H2. To vedie k zhoršeniu kvality kovu. Plyny sa dajú odstraňovať pomocou ultrazvuku, čo u nás umožnilo vytvoriť špeciálny technologický cyklus a široko ho využívať pri výrobe kovov.
- Ultrazvuk podporuje kalenie kovov
- V práškovej metalurgii ultrazvuk podporuje priľnavosť častíc vyrábaného materiálu. To eliminuje potrebu vysokotlakového tesnenia.
7. Ultrazvuk v baníctve.
Použitie ultrazvuku umožňuje implementovať nasledujúce technológie:
- Odstránenie parafínu zo stien ropných vrtov;
- Vylúčenie výbuchov metánu v baniach z dôvodu jeho rozptylu;
- ultrazvuková koncentrácia rúd (flotačná metóda s využitím ultrazvuku).
8. KM v poľnohospodárstve.
Ultrazvukové vibrácie majú priaznivý vplyv na semená a zrná ešte pred ich zasadením. Spracovanie semien paradajok pred výsadbou teda poskytuje zvýšenie počtu plodov, skracuje dobu dozrievania a zvyšuje množstvo vitamínov.
Ultrazvukové ošetrenie semien melónu a kukurice vedie k zvýšeniu výnosu o 40%.
Pri spracovaní ultrazvukových semien je možné zabezpečiť dezinfekciu a zaviesť potrebné mikroelementy z kvapaliny
9. Potravinársky priemysel.
V praxi sa už dnes implementujú tieto technológie:
- Úprava mlieka na homogenizačnú sterilizáciu;
- Spracovanie na zvýšenie trvanlivosti a kvality mrazeného mlieka
- Získanie vysoko kvalitného sušeného mlieka;
- Získanie emulzií na pečenie;
- Ošetrenie kvasiniek o 15% zvyšuje ich fermentačnú silu;
- Získavanie aromatických látok, pyré, extrakcia tuku z pečene;
- izolácia zubného kameňa;
- Ťažba rastlinných a živočíšnych surovín;
- Výroba parfumov (6...8 hodín namiesto roka).
10. Ultrazvuk v biológii.
- Veľké dávky ultrazvuku zabíjajú mikroorganizmy (stafylokoky, streptokoky, vírusy);
- Nízka intenzita pôsobenia ultrazvuku podporuje rast kolónií mikroorganizmov;
11. Vplyv na človeka.
Ultrazvuková expozícia s intenzitou do 0,1 ... 0,4 W / cm má terapeutický účinok. V Amerike sa za ošetrenie považuje efekt s intenzitou do 0,8 W / cm
12. V medicíne.
Ultrazvukové skalpely, prístroje na vonkajšiu a vnútornú liposukciu, laparoskopické nástroje, inhalátory, masážne prístroje sú široko používané a umožňujú liečbu rôznych ochorení.
Nasledujúci kurz prednášok je určený na predbežné oboznámenie študentov, postgraduálnych študentov, inžinierov a technológov rôznych priemyselných odvetví so základmi ultrazvukových technológií a má poskytnúť základné poznatky o teórii vzniku ultrazvukových vibrácií a praxi využívania vysokých -intenzita ultrazvukových vibrácií.

V poslednej dobe sa používanie ultrazvuku rozšírilo v rôznych oblastiach vedy, techniky a medicíny.

Čo je to? Kde sa používajú ultrazvukové vibrácie? Aké výhody môžu priniesť človeku?

Ultrazvuk sa nazýva vlnové oscilačné pohyby s frekvenciou viac ako 15-20 kilohertzov, vznikajúce pod vplyvom prostredia a nepočuteľné pre ľudské ucho. Ultrazvukové vlny sa ľahko zaostrujú, čo zvyšuje intenzitu vibrácií.

Zdroje ultrazvuku

V prírode ultrazvuk sprevádza rôzne prírodné zvuky: dážď, búrka, vietor, vodopád, morský príboj. Niektoré zvieratá (delfíny, netopiere) ho dokážu vyžarovať, čo im pomáha odhaliť prekážky a orientovať sa vo vesmíre.

Všetky existujúce umelé zdroje ultrazvuku sú rozdelené do 2 skupín:

• generátory - oscilácie vznikajú v dôsledku prekonávania prekážok vo forme prúdu plynu alebo kvapaliny.
• elektroakustické meniče - transformujú elektrické napätie na mechanické vibrácie, čo vedie k emisii akustických vĺn do okolia.

Ultrazvukové prijímače

Nízke a stredné frekvencie ultrazvukových vibrácií vnímajú najmä elektroakustické meniče piezoelektrického typu. V závislosti od podmienok použitia sa rozlišujú rezonančné a širokopásmové zariadenia.

Na získanie charakteristík zvukového poľa, ktoré sa spriemerujú v čase, sa používajú tepelné prijímače, reprezentované termočlánkami alebo termistormi, ktoré sú potiahnuté látkou s vlastnosťami pohlcovania zvuku.

Optické metódy, medzi ktoré patrí difrakcia svetla, sú schopné odhadnúť intenzitu ultrazvuku a akustický tlak.

Kde sa používajú ultrazvukové vlny?

Ultrazvukové vlny našli uplatnenie v rôznych oblastiach.

Oblasti použitia ultrazvuku možno zvyčajne rozdeliť do 3 skupín:

• prijímanie informácií;
• aktívny vplyv;
• spracovanie a prenos signálu.

V každom prípade sa používa určitý frekvenčný rozsah.

Ultrazvukové čistenie

Ultrazvukové pôsobenie poskytuje vysoko kvalitné čistenie dielov. Pri jednoduchom opláchnutí dielov na nich zostane až 80% nečistôt, pri vibračnom čistení - takmer 55%, pri ručnom čistení - asi 20% a pri čistení ultrazvukom - menej ako 0,5%.

Detaily so zložitým tvarom je možné odstrániť iba pomocou ultrazvuku.

Ultrazvukové vlny sa používajú aj pri čistení vzduchu a plynov. Ultrazvukový žiarič umiestnený v komore na usadzovanie prachu stonásobne zvyšuje účinnosť svojho pôsobenia.

Obrábanie krehkých a supertvrdých materiálov

Vďaka ultrazvuku bolo možné ultra presné spracovanie materiálov. S jeho pomocou sa vyrábajú výrezy rôznych tvarov, matríc, brúsia, gravírujú a dokonca aj vŕtajú diamanty.

Využitie ultrazvuku v rádiovej elektronike

V rádiovej elektronike je často potrebné oneskoriť elektrický signál vo vzťahu k nejakému inému signálu. Na to sa začali používať ultrazvukové oneskorovacie linky, ktorých činnosť je založená na premene elektrických impulzov na ultrazvukové vlny. Sú tiež schopné premieňať mechanické vibrácie na elektrické. V súlade s tým môžu byť oneskorovacie vedenia magnetostrikčné a piezoelektrické.

Využitie ultrazvuku v medicíne

Využitie ultrazvukových vibrácií v lekárskej praxi je založené na účinkoch, ktoré sa vyskytujú v biologických tkanivách pri prechode ultrazvuku cez ne. Oscilačné pohyby pôsobia na tkanivá masážne a pri absorpcii ultrazvuku dochádza k ich lokálnemu zahrievaniu. Zároveň sa v tele pozorujú rôzne fyzikálno-chemické procesy, ktoré nespôsobujú nezvratné zmeny. V dôsledku toho sa zrýchľujú metabolické procesy, čo priaznivo ovplyvňuje fungovanie celého organizmu.

Použitie ultrazvuku v chirurgii

Intenzívne pôsobenie ultrazvuku spôsobuje silné zahrievanie a kavitáciu, ktorá našla uplatnenie v chirurgii. Použitie fokálneho ultrazvuku počas operácií umožňuje vykonať lokálny deštruktívny účinok v hlbokých častiach tela, vrátane oblasti mozgu, bez poškodenia blízkych tkanív.

Chirurgovia pri svojej práci používajú nástroje s pracovným koncom vo forme ihly, skalpelu alebo pílky. V tomto prípade chirurg nemusí vynakladať úsilie, čo znižuje traumu postupu. Zároveň má ultrazvuk analgetický a hemostatický účinok.

Vystavenie ultrazvuku je predpísané, keď sa v tele zistí malígny novotvar, čo prispieva k jeho zničeniu.

Ultrazvukové vlny majú aj antibakteriálny účinok. Preto sa používajú na sterilizáciu nástrojov a liekov.

Vyšetrenie vnútorných orgánov

Pomocou ultrazvuku sa vykonáva diagnostické vyšetrenie orgánov nachádzajúcich sa v brušnej dutine. Na tento účel sa používa špeciálne zariadenie.

Počas ultrazvukového vyšetrenia je možné odhaliť rôzne patológie a abnormálne štruktúry, rozlíšiť benígny novotvar od malígneho a odhaliť infekciu.

Ultrazvukové vibrácie sa využívajú pri diagnostike pečene. Umožňujú vám identifikovať ochorenia žlčových tokov, preskúmať žlčník na prítomnosť kameňov a patologických zmien v ňom, identifikovať cirhózu a benígne ochorenia pečene.

Ultrazvuk našiel široké uplatnenie v oblasti gynekológie, najmä v diagnostike maternice a vaječníkov. Pomáha odhaliť gynekologické ochorenia a odlíšiť zhubné a nezhubné nádory.

Ultrazvukové vlny sa používajú aj pri štúdiu iných vnútorných orgánov.

Využitie ultrazvuku v zubnom lekárstve

V zubnom lekárstve sa zubný povlak a kameň odstraňujú pomocou ultrazvuku. Vďaka nemu sa vrstvy odstránia rýchlo a bezbolestne, bez poranenia sliznice. Zároveň sa dezinfikuje ústna dutina.

ULTRAZVUKOVÉ ŽIARENIE

Mechanické vlny, ktorých frekvencia kmitov presahuje 20 000 Hz, sa nazýva ultrazvukové žiarenie. V posledných rokoch našlo toto žiarenie široké uplatnenie v medicíne na diagnostiku patologických stavov a na liečbu chorôb. Využitie ultrazvukových vĺn je založené na jeho fyzikálnych vlastnostiach a mechanizmoch interakcie s hmotou. Uvažujme o metódach získavania ultrazvukového žiarenia, ich fyzikálnych vlastnostiach, mechanizmoch interakcie so živým organizmom a biofyzikálnych princípoch, ktoré určujú jeho praktické využitie v medicíne.

ZDROJE ULTRAZVUKOVÝCH OSCILÁCIÍ

Získanie ultrazvuku je založené na dvoch fyzikálnych javoch – piezoelektrickom jave a magnetostrikcii. Rozlišujte medzi priamym a reverzným piezoelektrickým efektom. priamy piezoelektrický efekt spočíva v skutočnosti že pri mechanických vplyvoch na niektoré kryštalické telesá,elektrické polia. Tak napríklad akmechanická sila F pôsobí na kremennú dosku na jej povrchyelektrické náboje a následne elektrické pole. AT V tomto prípade slúži kryštál prevodník mechanický náraz v elektrický signál.Ak sa na takýto kryštál privedie striedavé elektrické napätie U = U m sin w t, bude sa pozorovať inverzný piezoelektrický efekt - zmena hrúbky dosky h v čase podľa zákona o zmene aplikovaného napätia h \u003d h o + D h sin w t. Pri periodickej zmene polohy povrchu kryštálu vznikajú kmity molekúl prostredia, ktoré sa v prostredí šíria vo forme mechanického vlnenia. Ak je frekvencia striedavého napätia dostatočne vysoká (f > 20000 Hz), ultrazvuk vlny

Ako je známe, intenzita mechanických vĺn je určená frekvenciou, amplitúdou vibrácií molekúl a mechanickou impedanciou prostredia I = (Z w 2 x 2 )/2. Preto získanie silného ultrazvukového žiarenia vyžaduje dostatočne veľké posuny povrchu piezokryštálu a molekúl média. Použitím inverzného piezoelektrického efektu nie je možné získať žiarenie s vysokou intenzitou, pretože piezokryštály sú veľmi krehké a majú nízku pevnosť. So zvýšením amplitúdy aplikovaného napätia dosiahne zmena hrúbky kryštálu h taký stupeň, že dôjde k jeho deštrukcii. Silnejší ultrazvuk sa získa použitím magnetostrikcie. Tento jav je založený na schopnosti feromagnetických telies meniť svoje geometrické rozmery v magnetických poliach. Ak sa tyč z takéhoto feromagnetického materiálu umiestni do solenoidu a priloží sa na jeho

vinutím striedavého elektrického poľa bude v solenoide prúdiť striedavý elektrický prúd. Tento prúd vytvára striedavé magnetické pole s indukciou B, čo spôsobuje zodpovedajúcu zmenu dĺžky tyče.Kmitavé plochy koncov tyče spôsobujú kmitanie molekúl média a tento proces sa šíri v priestore vo forme ultrazvukovej vlny.

Pomocou fenoménu magnetostrikcie je možné získať podstatne intenzívnejšie ultrazvukové žiarenie v porovnaní s piezoelektrickým efektom, keďže feromagnetická tyč má výrazne väčšiu pevnosť.Ako už bolo uvedené, ultrazvuk má pomerne vysokú frekvenciu a v dôsledku toho malú vlnovú dĺžku. Napríklad, pre najčastejšie vo fyzioterapeutickom ultrazvukugenerátory UZT-101, frekvencia je 880 kHz, t.j. 880 000 Hz. Preto dĺžka ultrazvukuvlny šíriace sa vzduchom sú:

l \u003d C: f \u003d 330: 880 000 \u003d 0,000375 m \u003d 0,375 mm.

Tu C je rýchlosť šírenia mechanických vĺn vo vzduchu, f je frekvencia ultrazvuku. Takáto malá vlnová dĺžka určuje vlastnosti jeho šírenia v médiu. Z fyziky je známe, že jav difrakcie závisí od vlnovej dĺžky: čím väčšia je vlnová dĺžka, tým silnejšie sa vlny difraktujú. V dôsledku toho by sa mal ultrazvuk pri šírení v homogénnych médiách difraktovať slabo a môže byť zhromažďovaný vo forme skôr úzkych smerovaných ultrazvukových lúčov.

Koncentrácia ultrazvuku sa uskutočňuje v dôsledku použitia špeciálnych zariadení - ultrazvukových koncentrátorov, ktorých princíp činnosti je založený na totálnom vnútornom odraze.Ultrazvukové žiarenie generované magnetostrikciou vstupuje do koncentrátora vyrobeného z materiálu s vysokou pevnosťou a hustotou (najbežnejšie sa používajú kovy). Keď sa žiarenie šíri, dosiahne rozhranie a úplne sa odrazí, pretože mechanická impedancia materiálu koncentrátora je oveľa väčšia ako impedancia média. Intenzita ultrazvuku vstupujúceho cez povrch S 1 za jednotku času možno vyjadriť ako: I 1 = E/(Si t), kde t je trvanie žiarenia a E = I 1 S 1 t je energia generovaná žiaričom. Ak zanedbáme straty energie v koncentrátore, tak cez povrch S 2 za jednotku času sa do média dostane rovnaká energia: E = I 2 S 2 t = I 1 S 1 t

Odkiaľ pochádza záver: I 2 \u003d I 1 S 1 / S 2. Od S 1 >> S 2 , v koncentrátore dochádza nielen k vytvoreniu úzkeho lúča, ale aj k zvýšeniu intenzity žiarenia.

MECHANIZMY INTERAKCIE ULTRAZVUKU S LÁTKOU

Najväčší praktický záujem majú tieto mechanizmy interakcie medzi ultrazvukom a fyzikálnymi účinkami v hmote: uvoľňovanie tepla, tlak žiarenia, tvorba konvekčných prúdov a kavitácia.

Pri prechode ultrazvukom v akomkoľvek médiu mechanická vlna prekonáva odpor viskóznych síl. Preto sa časť mechanickej energie stráca v látke a uvoľňuje sa vo forme tepla. Ako vyplýva z teórie vlnových procesov, ako sa ultrazvukové vlnenie šíri, jeho intenzita klesá podľa zákona I = I oe-bX, kde b - absorpčný koeficient v závislosti od viskozity, hustoty média a frekvencie vlny. Keďže frekvencia ultrazvuku je dostatočne vysoká, absorpcia energie a tvorba tepla je pomerne významná, najmä v materiáloch s vysokou hustotou (v kostnom tkanive). Pri vystavení veľmi intenzívnemu ultrazvukovému žiareniu je tepelné zahrievanie také výrazné, že dochádza k deštrukcii biologických tkanív. Na tom je založené chirurgické využitie ultrazvukových vĺn a ultrazvukové žiariče sa používajú ako akési skalpely. Pomocou ultrazvuku je možné ničiť nielen mäkké tkanivá, ale aj kosti.

Ako už bolo uvedené, mechanická vlna vyvíja tlak P = Zš x m na prekážku, ktorá sa mu postaví do cesty. Ultrazvukové vlny nie sú výnimkou. Keďže ultrazvuk má dostatočne vysokú frekvenciu w , veľkosť radiačného tlaku je dosť významná.

Pri šírení ultrazvukových vĺn v nehomogénnych heterogénnych kvapalných prostrediach vznikajú oblasti s nerovnakým tlakom, medzi ktorými sa kvapalina pohybuje. Výsledné prúdy sa nazývajú konvekčné prúdy. Prispievajú k miešaniu média a zvyšujú rýchlosť chemických reakcií.

V tekutých médiách sa pri vysokointenzívnom ultrazvuku pozoruje jav, ktorý sa nazýva kavitácia (z latinského slova cavum - dutina). V tomto prípade sa vytvárajú dutiny naplnené nasýtenými kvapalnými parami.

Vznik dutín sa vysvetľuje nasledujúcim mechanizmom: V objeme kvapaliny, ktorým prechádza ultrazvuková vlna, sa tlak v čase mení podľa sínusového zákona. V jednom z polovičných cyklov je tlak pozitívny a výsledné mechanické sily majú tendenciu zbližovať molekuly kvapalného média. V ďalšom polcykle, keď sa tlak stane negatívnym, mechanické sily majú tendenciu zväčšovať vzdialenosť medzi molekulami. Ak tieto sily presiahnu sily medzimolekulovej príťažlivosti, dôjde k "roztrhnutiu" kvapaliny a vytvorí sa plynová dutina. Pri kavitácii v kvapalných médiách vznikajú veľmi veľké mechanické napätia, ktoré môžu zničiť akékoľvek hmotné teleso. Na tomto efekte je založená sterilizácia tekutých médií v dôsledku kavitačnej deštrukcie mikroorganizmov.

VYUŽITIE ULTRAZVUKOVÉHO ŽIARENIA V MEDICÍNE

V lekárskej praxi sa ultrazvuk používa na diagnostiku patologických stavov, terapeutickú a chirurgickú liečbu. Terapeutický účinok ultrazvuku je založený na tepelnom účinku, tvorbe konvekčných prúdov a schopnosti vytvárať radiačný tlak. Pri relatívne nízkych intenzitách ultrazvukových vĺn v mäkkých tkanivách tela, obsahujúcich dostatočné množstvo roztokov, vznikajú konvekčné toky, ktoré miešajú molekuly chemických zlúčenín a urýchľujú chemické reakcie a následne biologické procesy. Rovnaký jav podporuje ultrazvukové zahrievanie tkaniva.

Na základe radiačného tlaku ultrazvuku v tekutých médiách bola vyvinutá metóda liečby - fonoforéza. Tento liečebný postup spočíva v tom, že pomocou radiačného tlaku sa do tela dostávajú liečivé látky bez poškodenia jeho povrchu. Na fonoforézu telo, nanesie sa vrstva roztoku 2, obsahujúce molekuly 3 liečivý látky a nainštalujteultrazvukový menič 1. Pri aplikáciivzniká striedavé elektrické napätie U ultrazvukové žiarenie, ktoré vytvára tlak žiarenia v roztoku. Preto na molekuly pôsobia sily F, ktoré spôsobujú ich pohyb do tkaniva.Rýchlosť podávania liečiva závisí od intenzity ultrazvuku (tlak a sila F), ako aj od odporu tkaniva.pohyb molekúl. s pomocou fonoforézy je možné zavádzať liečivé látky do povrchovo umiestnených patologických ložísk.Najsľubnejšia aplikácia fonoforézy v zubnom lekárstve, pretože ústna sliznica má významnýmenší odpor voči pohybu molekúl ako koža.

Ultrazvuk našiel obzvlášť široké uplatnenie pri diagnostike patologických stavov. Táto metóda je založená na fyzikálnych mechanizmoch interakcie ultrazvukového žiarenia s telesnými tkanivami.

FYZIKÁLNE PRINCÍPY UMIESTNENIA ECHO

Echolokácia je ultrazvuková metóda diagnostiky patologických stavov, založená na odraze ultrazvukovej vlny od ľudských tkanív a orgánov. Obrázok 63 je schéma znázorňujúca použitie tohto spôsobu. Na povrchu tela je inštalovaný piezokeramický prvok PC, schopný generovať ultrazvukové vibrácie na základe inverzného piezoelektrického efektu a premieňať ultrazvukové vlny pomocou priameho piezoelektrického efektu. Piezokryštál je možné pripojiť ku generátoru G 1 vysokofrekvenčného elektrického napätia alebo do elektronického zosilňovača Y pomocou spínača P. Keď je z generátora G emitovaný ultrazvuk 1 v čase t 1 pôsobí impulz vysokofrekvenčného napätia a cez povrch tela vstupuje impulz ultrazvukového žiarenia s intenzitou Io. Počas doby t 2 piezokryštál je pripojený k elektronickému zosilňovaču. Ultrazvukový impulz šíriaci sa v tele dosiahne rozhranie medzi médiami s rôznymi mechanickými impedanciami Z 1 a Z2 . Čím viac sa tieto impedancie líšia, tým viac energie sa odráža I 1 . Odrazený impulz dosiahne piezokryštál, premení sa na striedavé elektrické napätie a po zosilnení vstúpi do vertikálnych dosiek katódovej trubice (CRT). Na vodorovných doskách je napájaný generátor G 2 pílovité napätie U 2 , ktorý zabezpečuje rovnomerný pohyb elektrónového lúča vodorovne. Začiatok pohybu lúča sa zhoduje s okamihom emisie ultrazvukového impulzu. Keď odrazený impulz dosiahne PC na CRT, impulz nastane po čase t 1 . Preto v čase t 1 ultrazvukový impulz dosiahne rozhranie s orgánom a vráti sa späť, pričom prejde dráhou rovnajúcou sa 2l 1, kde l 1 je vzdialenosť od povrchu tela k orgánu. Poznanie času t 1 , môžete určiť túto vzdialenosť k orgánu: l 1 = Ct1 / 2, kde C je rýchlosť šírenia ultrazvuku v tele. Keď ultrazvuk dosiahne druhé rozhranie, dôjde k odrazu v smere PC CRT a po čase t 2 vznikne druhý elektrický impulz. Počas tejto doby prekonala ultrazvuková vlna vzdialenosť 2 l 2 . Potom vzdialenosť k druhému rozhraniu:

V priebehu zdokonaľovania metódy ultrazvukovej echolokácie boli vyvinuté pokročilejšie diagnostické prístroje, ktoré umožňujú nielen registrovať odrazené elektrické impulzy, ale aj získať obraz vnútorných orgánov a tkanív. Je potrebné zdôrazniť, že ultrazvuková diagnostika je oveľa bezpečnejšia ako röntgenová diagnostika. A preto sa najmä v pôrodníctve značne rozšírilo štúdium morfologických znakov plodu.

Vibrácie a vlny. Oscilácie sa nazývajú opakované opakovanie rovnakých alebo blízkych rovnakých procesov. Proces šírenia kmitov v prostredí sa nazýva vlna. Čiara označujúca smer šírenia vlny sa nazýva lúč a hranica, ktorá určuje oscilujúce častice od častíc prostredia, ktoré ešte nezačali kmitať, sa nazýva čelo vlny.

Čas, za ktorý sa dokončí úplný cyklus oscilácií, sa nazýva perióda T a meria sa v sekundách. Hodnota ƒ \u003d 1 / T, ktorá ukazuje, koľkokrát za sekundu sa oscilácia opakuje, sa nazýva frekvencia a meria sa v c -1.

Hodnota ω, ktorá vyjadruje počet úplných otáčok bodu po obvode za 2T s, sa nazýva kruhová frekvencia ω = 2 π / T = 2 π ƒ a meria sa v radiánoch za sekundu (rad/s).

Fáza vlny je parameter, ktorý ukazuje, koľko z periódy uplynulo od začiatku posledného oscilačného cyklu.

Vlnová dĺžka λ je minimálna vzdialenosť medzi dvoma bodmi oscilujúcimi v rovnakej fáze. Vlnová dĺžka súvisí s frekvenciou ƒ a rýchlosťou so vzťahom: λ = c / ƒ . Rovinná vlna šíriaca sa pozdĺž horizontálnej osi X je opísaná vzorcom:

u \u003d U cos (ω t – kx),

kde k = 2 π /λ. - vlnové číslo; U - amplitúda oscilácie.

Zo vzorca je zrejmé, že hodnota u sa periodicky mení v čase a priestore.

Ako veličina, ktorá sa mení pri kmitoch, sa používa posun častíc z rovnovážnej polohy u a akustický tlak p.

Pri ultrazvukovej (US) detekcii chýb oscilácie s frekvenciou 0,5 ... 15 MHz (dĺžka pozdĺžnej vlny v oceli 0,4 ... 12 mm) a amplitúdou posunu 10 -11 ... ocele pri frekvencii 2 MHz , akustické napätia 10 ... 10 8 Pa).

Intenzita vlny I sa rovná I = р 2 /(2ρс) ,

kde ρ je hustota prostredia, v ktorom sa vlna šíri.

Intenzita vĺn používaných na reguláciu je veľmi nízka (~10 -5 W/m2). Počas detekcie chýb sa nezaznamenáva intenzita, ale amplitúda vĺn A. Zvyčajne sa zoslabenie amplitúdy A meria vzhľadom na amplitúdu vibrácií A o (snímacieho impulzu) vybudených v produkte, t.j. A" / A o. Na to sa používajú logaritmické jednotky decibelov (dB), t.j. A "/ A o \u003d 20 Ig A" / A o.

Typy vĺn. V závislosti od smeru kmitov častíc vzhľadom na lúč sa rozlišuje niekoľko typov vĺn.

Pozdĺžna vlna je vlna, pri ktorej dochádza k oscilačnému pohybu jednotlivých častíc v rovnakom smere, akým sa vlna šíri (obr. 1).

Pozdĺžna vlna je charakteristická tým, že v médiu sa striedajú oblasti kompresie a riedenia, alebo vysokého a nízkeho tlaku, alebo vysokej a nízkej hustoty. Preto sa nazývajú aj tlakové, hustotné alebo kompresné vlny. Pozdĺžny môže sa šíriť v pevných látkach, kvapalinách, plynoch.

Ryža. 1. Kmitanie častíc média v v pozdĺžnej vlne.

Strih (priečny) nazývaná taká vlna, pri ktorej jednotlivé častice kmitajú v smere kolmom na smer šírenia vlny. V tomto prípade zostáva vzdialenosť medzi jednotlivými rovinami kmitov nezmenená (obr. 2).

Ryža. 2. Kmitanie častíc média v v priečnej vlne.

Pozdĺžne a priečne vlny, ktoré dostali všeobecný názov "telesné vlny", môžu existovať v neobmedzenom médiu. Tie sa najčastejšie používajú na ultrazvukovú detekciu defektov.

Rýchlosť šírenia pozdĺžnej vlny v neohraničenom pevnom telese je určená výrazom

kde E je Youngov modul, definovaný ako pomer medzi veľkosťou ťahovej sily pôsobiacej na určitú tyč a výslednou deformáciou; v - Poissonov pomer, čo je pomer zmeny šírky tyče k zmene jej dĺžky, ak je tyč natiahnutá po dĺžke; ρ je hustota materiálu.

Rýchlosť šmykovej vlny v neohraničenej pevnej látke je vyjadrená takto:

Pretože v ≈ 0,3 v kovoch, existuje vzťah medzi pozdĺžnymi a priečnymi vlnami

c t ≈ 0,55 s l.

povrchové vlny(Rayleighove vlny) sú elastické vlny šíriace sa pozdĺž voľnej (alebo mierne zaťaženej) hranice pevného telesa a rýchlo tlmiace s hĺbkou. Povrchová vlna je kombináciou pozdĺžnych a priečnych vĺn. Častice v povrchovej vlne oscilujú po eliptickej trajektórii (obr. 3). Hlavná os elipsy je kolmá na hranicu.

Keďže pozdĺžna zložka vstupujúca do povrchovej vlny klesá s hĺbkou rýchlejšie ako priečna zložka, predĺženie elipsy sa mení s hĺbkou.

Povrchová vlna má rýchlosť s = (0,87 + 1,12 V) / (1 + V)

Pre kovy s s ≈ 0,93c t ≈ 0,51 c l .

V závislosti od geometrického tvaru prednej časti sa rozlišujú tieto typy vĺn:

• sférický - zvuková vlna v malej vzdialenosti od bodového zdroja zvuku;
• cylindrický - zvuková vlna v krátkej vzdialenosti od zdroja zvuku, čo je dlhý valec malého priemeru;
• plochý - môže ho vyžarovať nekonečne kmitajúca rovina.

Tlak v sférickej alebo rovinnej zvukovej vlne je určený vzťahom:

kde v je hodnota rýchlosti vibrácií.

Hodnota ρс = z sa nazýva akustický odpor alebo akustická impedancia.

Ryža. 3. Kmitanie častíc média v v povrchovej vlne.

Ak je akustická impedancia veľká, potom sa médium nazýva tvrdé, ak je impedancia nízka, - mäkké (vzduch, voda).

Normálne (vlny v tanieroch), sa nazývajú elastické vlny šíriace sa v pevnej doske (vrstve) s voľnými alebo málo zaťaženými hranicami.

Normálne vlny prichádzajú v dvoch polarizáciách: vertikálnej a horizontálnej. Z dvoch typov vĺn sú v praxi najpoužívanejšie Lamb vlny – normálne vlny s vertikálnou polarizáciou. Vznikajú ako výsledok rezonancie pri interakcii dopadajúcej vlny s viacnásobne odrazenými vlnami vo vnútri platne.

Aby sme pochopili fyzikálnu podstatu vĺn v doskách, pouvažujme nad otázkou vzniku normálnych vĺn vo vrstve kvapaliny (obr. 4).

Ryža. 4. K otázke vzhľadu normálnej vôle vo vrstve tekutiny.

Na vrstvu s hrúbkou h nech z vonkajšej strany dopadne rovinná vlna pod uhlom β. Čiara AD ukazuje prednú časť dopadajúcej vlny. Následkom lomu na rozhraní vzniká vo vrstve vlna s CB frontom, ktorá sa šíri pod uhlom α a vo vrstve podlieha viacnásobným odrazom.

Pri určitom uhle dopadu β sa vlna odrazená od spodnej plochy vo fáze zhoduje s priamou vlnou prichádzajúcou z hornej plochy. To je podmienka pre vznik normálnych vĺn. Uhol a, pri ktorom k tomuto javu dochádza, možno nájsť zo vzorca

h cos α = n λ 2 / 2

Tu n je celé číslo; λ 2 - vlnová dĺžka vo vrstve.

Pre pevnú vrstvu je zachovaná podstata javu (rezonancia telesných vĺn pri šikmom dopade). Podmienky pre vznik normálnych vĺn sú však veľmi komplikované kvôli prítomnosti pozdĺžnych a priečnych vĺn v platni. Rôzne typy vĺn, ktoré existujú pre rôzne hodnoty n, sa nazývajú režimy normálnych vĺn. ultrazvukové vlny s nepárnymi hodnotami n sa nazývajú symetrické, pretože pohyb častíc v nich je symetrický vzhľadom na os dosky. Volajú sa vlny s párnymi hodnotami n antisymetrický(obr. 5).

Ryža. 5. Kmitanie častíc média v v normálnej vlne.

vlny hlavy. V reálnych podmienkach ultrazvukového skúšania nakloneným meničom má predná strana ultrazvukovej vlny vyžarujúceho piezoelektrického prvku nerovinný tvar. Z žiariča, ktorého os je orientovaná v prvom kritickom uhle k rozhraniu, dopadajú pozdĺžne vlny aj na rozhranie s uhlami o niečo menšími a o niečo väčšími ako prvý kritický. V tomto prípade sa v oceli vybudí niekoľko typov ultrazvukových vĺn.

Po povrchu sa šíri nehomogénna pozdĺžna povrchová vlna (obr. 6). Táto vlna pozostávajúca z povrchových a objemových zložiek sa nazýva aj deravá alebo plazivá. Častice v tejto vlne sa pohybujú po trajektóriách vo forme elipsy blízko kruhov. Fázová rýchlosť vytekajúcej vlny с в mierne prevyšuje rýchlosť pozdĺžnej vlny (pre oceľ с в = 1,04с l).

Tieto vlny existujú v hĺbke približne rovnej vlnovej dĺžke a počas šírenia sa rýchlo rozpadajú: amplitúda vlny klesá 2,7-krát rýchlejšie vo vzdialenosti 1,75λ. pozdĺž povrchu. Oslabenie je spôsobené tým, že v každom bode rozhrania sa vytvárajú priečne vlny pod uhlom α t2, ktorý sa rovná tretiemu kritickému uhlu, nazývanému bočné vlny. Tento uhol je určený zo vzťahu

sin α t2 = (c t2 - c l2)

pre oceľ α t2 = 33,5°.

Ryža. 6. Akustické pole meniča hlavovej vlny: PET - piezoelektrický menič.

Okrem deravej je vybudená aj hlavová vlna, ktorá je v praxi ultrazvukového testovania hojne využívaná. Hlavová vlna sa nazýva pozdĺžna podpovrchová vlna, excitovaná, keď ultrazvukový lúč dopadá na rozhranie pod uhlom blízkym prvému kritickému. Rýchlosť tejto vlny sa rovná rýchlosti pozdĺžnej vlny. Hlavová vlna dosahuje svoju hodnotu amplitúdy pod povrchom pozdĺž lúča so vstupným uhlom 78°.

Ryža. Obr. 7. Amplitúda odrazu hlavovej vlny v závislosti od hĺbky otvorov s plochým dnom.

Hlavová vlna, podobne ako netesná, generuje bočné priečne ultrazvukové vlny v treťom kritickom uhle k rozhraniu. Súčasne s budením pozdĺžnej povrchovej vlny vzniká spätná pozdĺžna povrchová vlna - šírenie elastickej perturbácie v smere opačnom k ​​priamemu žiareniu. Jeho amplitúda je ~ 100-krát menšia ako amplitúda priamej vlny.

Hlavová vlna je necitlivá na nerovnosti povrchu a reaguje len na defekty ležiace pod povrchom. K zoslabeniu amplitúdy pozdĺžnej-podpovrchovej vlny pozdĺž lúča akéhokoľvek smeru dochádza ako pri bežnej objemovej pozdĺžnej vlne, t.j. úmerné l / r, kde r je vzdialenosť pozdĺž lúča.

Na obr. 7 znázorňuje zmenu amplitúdy signálu ozveny z otvorov s plochým dnom umiestnených v rôznych hĺbkach. Citlivosť na defekty v blízkosti povrchu je blízka nule. Maximálna amplitúda vo vzdialenosti 20 mm sa dosiahne pre otvory s plochým dnom umiestnené v hĺbke 6 mm.

Ďalšie súvisiace stránky

Obsah článku

ULTRAZVUK, vysokofrekvenčné elastické vlny, ktorým sú venované špeciálne sekcie vedy a techniky. Ľudské ucho vníma elastické vlny šíriace sa v médiu s frekvenciou až približne 16 000 kmitov za sekundu (Hz); vibrácie s vyššou frekvenciou predstavujú ultrazvuk (mimo sluchu). Zvyčajne sa za ultrazvukový rozsah považuje frekvenčné pásmo od 20 000 do niekoľkých miliárd hertzov. Hoci vedci vedia o existencii ultrazvuku už dlho, jeho praktické využitie vo vede, technike a priemysle sa začalo pomerne nedávno. Teraz je ultrazvuk široko používaný v rôznych fyzikálnych a technologických metódach. Podľa rýchlosti šírenia zvuku v médiu sa posudzujú jeho fyzikálne vlastnosti. Merania rýchlosti pri ultrazvukových frekvenciách sa vykonávajú s veľmi vysokou presnosťou; v dôsledku toho sa s veľmi malými chybami určujú napríklad adiabatické charakteristiky rýchlych procesov, hodnoty špecifickej tepelnej kapacity plynov a elastické konštanty pevných látok.

Sonar.

Na konci prvej svetovej vojny sa objavil jeden z prvých praktických ultrazvukových systémov, určených na detekciu ponoriek. Lúč ultrazvukového žiarenia môže byť ostro nasmerovaný a smer k tomuto cieľu možno určiť zo signálu (echa) odrazeného od cieľa. Meraním času, ktorý signál potrebuje na cestu k cieľu a z neho, sa určí vzdialenosť k cieľu. K dnešnému dňu sa systém nazývaný sonar alebo sonar stal neoddeliteľnou súčasťou navigácie.

Ak nasmerujete pulzné ultrazvukové žiarenie smerom dnu a zmeriate čas medzi odoslaním impulzu a jeho návratom, môžete určiť vzdialenosť medzi vysielačom a prijímačom, t.j. hĺbka. Komplexné automatické registračné systémy založené na tomto sa používajú na mapovanie dna morí a oceánov, ako aj koryta riek. Vhodné navigačné systémy jadrových ponoriek im umožňujú bezpečný prechod aj pod polárnym ľadom.

Defektoskopia.

Sondovanie ultrazvukovými impulzmi sa používa aj na štúdium vlastností rôznych materiálov a výrobkov z nich vyrobených. Pri penetrácii do pevných látok sa takéto impulzy odrážajú od ich hraníc, ako aj od rôznych cudzích útvarov v hrúbke skúmaného média, ako sú dutiny, trhliny atď., Čo naznačuje ich polohu. Ultrazvuk „skontroluje“ materiál bez toho, aby došlo k jeho poškodeniu. Takéto nedeštruktívne metódy kontroly kontrolujú kvalitu masívnych oceľových výkovkov, hliníkových blokov, železničných koľajníc, strojných zvarov.

Ultrazvukový prietokomer.

Princíp fungovania takéhoto zariadenia je založený na Dopplerovom efekte. Ultrazvukové impulzy smerujú striedavo po prúde a proti nemu. V tomto prípade je rýchlosť prechodu signálu buď súčtom rýchlosti šírenia ultrazvuku v médiu a rýchlosti prúdenia, alebo sa tieto hodnoty odpočítajú. Výsledný rozdiel vo fázach impulzov v dvoch vetvách meracieho obvodu je zaznamenávaný elektronickým zariadením a výsledkom je meranie rýchlosti prúdenia a podľa nej aj hmotnostnej rýchlosti (prietok). Tento merač nemení prietok tekutiny a možno ho použiť na prietok v uzavretej slučke, ako sú štúdie prietoku krvi aortou alebo chladiace systémy jadrového reaktora, ako aj na otvorený prietok, ako je rieka.

Chemická technológia.

Vyššie opísané metódy patria do kategórie nízkoenergetických, pri ktorých sa fyzikálne vlastnosti média nemenia. Existujú však aj metódy, pri ktorých je ultrazvuk vysokej intenzity nasmerovaný do média. Súčasne sa v kvapaline vyvíja silný kavitačný proces (tvorba mnohých bublín alebo dutín, ktoré sa zrútia so zvyšujúcim sa tlakom), čo spôsobuje významné zmeny vo fyzikálnych a chemických vlastnostiach média ( cm. KAVITÁCIA). Početné metódy pôsobenia ultrazvuku na chemicky aktívne látky sú spojené do vedecko-technického odboru poznania nazývaného ultrazvuková chémia. Skúma a stimuluje také procesy ako hydrolýza, oxidácia, preskupenie molekúl, polymerizácia, depolymerizácia a zrýchlenie reakcií.

Ultrazvukové spájkovanie.

Kavitácia, spôsobená silnými ultrazvukovými vlnami v taveninách kovov a zničením filmu oxidu hlinitého, umožňuje spájkovanie cínovou spájkou bez taviva. Výrobky vyrobené z kovov spájkovaných ultrazvukom sa stali bežnými priemyselnými výrobkami.

Ultrazvukové obrábanie.

Energia ultrazvuku sa úspešne využíva pri obrábaní dielov. Hrot vyrobený z mäkkej ocele, vyrobený v súlade s tvarom prierezu požadovaného otvoru (alebo dutiny), je pripevnený tvrdou spájkou na koniec zrezaného kovového kužeľa, ktorý je ovplyvnený ultrazvukovým generátorom (s vibráciou amplitúda do 0,025 mm). Kvapalná suspenzia brusiva (karbidu bóru) sa privádza do medzery medzi oceľovým hrotom a obrobkom. Keďže pri tejto metóde je rezným prvkom abrazíva a nie oceľová fréza, umožňuje vám spracovávať veľmi tvrdé a krehké materiály - sklo, keramiku, alnico (Fe-Ni-Co-Al-zliatina), karbid volfrámu, tvrdenú oceľ ; okrem toho môžu byť diery a dutiny zložitého tvaru ošetrené ultrazvukom, pretože relatívny pohyb obrobku a rezného nástroja môže byť nielen rotačný.

Ultrazvukové čistenie.

Dôležitým technologickým problémom je čistenie povrchu kovu alebo skla od najmenších cudzích častíc, mastných filmov a iných typov znečistenia. Tam, kde je ručné čistenie príliš prácne alebo je potrebný špeciálny stupeň čistoty povrchu, sa používa ultrazvuk. Do kavitujúcej kvapaliny ostrekovačov sa privádza silné ultrazvukové žiarenie (vytvára premenlivé zrýchlenia s frekvenciou až 10 6 Hz) a kolabujúce kavitačné bubliny strhávajú nežiaduce častice z ošetrovaného povrchu. Priemysel používa mnoho rôznych ultrazvukových zariadení na čistenie povrchov kryštálov kremeňa a optického skla, malých presných guľôčkových ložísk, odhrotovania malých častí; používa sa aj na dopravníkových linkách.

Aplikácia v biológii a medicíne.

Skutočnosť, že ultrazvuk aktívne ovplyvňuje biologické objekty (napríklad zabíja baktérie), je známa už viac ako 70 rokov. Ultrazvukové sterilizátory chirurgických nástrojov sa používajú v nemocniciach a na klinikách. Elektronické zariadenie so skenovacím ultrazvukovým lúčom slúži na detekciu nádorov v mozgu a stanovenie diagnózy, používa sa v neurochirurgii na inaktiváciu určitých častí mozgu silným zaostreným vysokofrekvenčným (asi 1000 kHz) lúčom. Ale ultrazvuk sa najviac používa v terapii - pri liečbe lumbaga, myalgie a pomliaždenín, aj keď medzi lekármi stále neexistuje konsenzus o špecifickom mechanizme účinku ultrazvuku na choré orgány. Vysokofrekvenčné vibrácie spôsobujú vnútorné zahrievanie tkaniva, prípadne sprevádzané mikromasážou.

Generovanie ultrazvukových vĺn.

Ultrazvuk je možné získať z mechanických, elektromagnetických a tepelných zdrojov. Mechanické žiariče sú zvyčajne rôzne druhy prerušovaných sirén. Do vzduchu vyžarujú vibrácie až niekoľko kilowattov pri frekvenciách do 40 kHz. Ultrazvukové vlny v kvapalinách a pevných látkach sú zvyčajne excitované elektroakustickými, magnetostrikčnými a piezoelektrickými meničmi.

Magnetostrikčné prevodníky.

Tieto zariadenia premieňajú energiu magnetického poľa na mechanickú (zvukovú alebo ultrazvukovú) energiu. Ich pôsobenie je založené na magnetoelastickom efekte, t.j. na tom, že niektoré kovy (železo, nikel, kobalt) a ich zliatiny sa deformujú v magnetickom poli. Ferity (materiály spekané zo zmesi oxidu železa s oxidmi niklu, medi, kobaltu a iných kovov) majú tiež výrazné magnetoelastické vlastnosti. Ak je magnetoelastická tyč umiestnená pozdĺž striedavého magnetického poľa, potom sa táto tyč bude striedavo skracovať a predlžovať, t.j. zažiť mechanické kmity s frekvenciou striedavého magnetického poľa a amplitúdou úmernou jeho indukcii. Vibrácie prevodníka vzbudzujú v pevnom alebo kvapalnom médiu, s ktorým je v kontakte, ultrazvukové vlny rovnakej frekvencie. Takéto meniče zvyčajne pracujú s vlastnou frekvenciou mechanických vibrácií, pretože je to najefektívnejší spôsob premeny energie z jednej formy na druhú. Plechové magnetostrikčné prevodníky najlepšie fungujú v nízkofrekvenčnom ultrazvukovom rozsahu (20 až 50 kHz), nad 100 kHz majú veľmi nízku účinnosť.

Piezoelektrické meniče

premieňať elektrickú energiu na ultrazvukovú energiu. Ich pôsobenie je založené na inverznom piezoelektrickom jave, ktorý sa prejavuje deformáciou niektorých kryštálov pôsobením na ne pôsobiaceho elektrického poľa. Tento efekt sa dobre prejavuje v prírodnom alebo umelo pestovanom monokryštále kremeňa alebo Rochelle soli, ako aj v niektorých keramických materiáloch (napríklad titaničitan bárnatý). Striedavé elektrické pole s frekvenciou požadovaného ultrazvuku sa aplikuje prostredníctvom naprašovaných kovových elektród umiestnených na protiľahlých stranách vzorky vyrezanej určitým spôsobom z piezoelektrického materiálu. V tomto prípade vznikajú mechanické vibrácie, ktoré sa šíria vo forme ultrazvuku v susednom kvapalnom alebo pevnom médiu. Piezoelektrické meniče vo forme tenkých kryštalických doštičiek dokážu vyžarovať silné ultrazvukové vlny s frekvenciou až 1 MHz (v laboratórnych podmienkach boli získané frekvencie až 1000 MHz). Dĺžka ultrazvukových vĺn (nepriamo úmerná frekvencii) je veľmi malá, preto z takýchto vĺn, ako aj zo svetla, je možné vytvárať úzko nasmerované lúče. Výhodou keramických piezoelektrík je, že sa dajú odlievať, lisovať alebo vytláčať do meničov rôznych veľkostí a tvarov. Takýto prevodník, vyrobený vo forme misky s guľovým obrysom, je schopný sústrediť ultrazvukové žiarenie do malého bodu s veľmi vysokou intenzitou. Ultrazvukové šošovky zaostrujú zvukové vlny rovnakým spôsobom ako lupy zaostrujú svetlo.

Detekcia a meranie na ultrazvuku.

Energiu akustického poľa určuje najmä akustický tlak a rýchlosť častíc média, v ktorom sa zvuk šíri. Zvyčajne je akustický tlak v plynoch (vzduch) a kvapalinách (voda) rádovo 10-3-10-6 okolitého tlaku (rovnajúci sa 1 atm na hladine mora). Tlak ultrazvukovej vlny prekračuje túto hodnotu tisíckrát a je ľahko detekovateľný pomocou mikrofónov vo vzduchu a hydrofónov vo vode. Na príjem a získanie kvantitatívnych charakteristík ultrazvukového žiarenia, najmä pri vysokých frekvenciách, boli vyvinuté špeciálne meracie prístroje. Keďže kompresné a riediace vlny v plynoch a kvapalinách menia index lomu média, boli vytvorené optické metódy na vizualizáciu týchto procesov. Pri odraze ultrazvuku v uzavretom systéme vzniká stojaté vlnenie, ktoré pôsobí na žiarič. V zariadeniach tohto typu, nazývaných ultrazvukové interferometre, sa vlnová dĺžka v médiu meria s veľmi vysokou presnosťou, čo umožňuje získať údaje o fyzikálnych vlastnostiach média. Intenzívny ultrazvukový lúč možno použiť na odhad a meranie tlaku ultrazvukového žiarenia, rovnako ako pri meraní tlaku svetla. Tento tlak súvisí s hustotou energie ultrazvukového poľa a umožňuje najjednoduchším spôsobom určiť intenzitu šíriacej sa ultrazvukovej vlny.