2000-talet är radioelektronikens, atomens, rymdutforskningens och ultraljuds århundrade. Vetenskapen om ultraljud är relativt ung idag. I slutet av 1800-talet genomförde P. N. Lebedev, en rysk fysiolog, sina första studier. Efter det började många framstående forskare studera ultraljud.
Vad är ultraljud?
Ultraljud är en fortplantande böljande oscillerande rörelse som mediets partiklar gör. Den har sina egna egenskaper, där den skiljer sig från ljuden i det hörbara området. Det är relativt enkelt att få riktad strålning i ultraljudsområdet. Dessutom fokuserar den bra, och som ett resultat av detta ökar intensiteten på de svängningar som görs. Vid förökning i fasta ämnen, vätskor och gaser ger ultraljud upphov till intressanta fenomen som har funnit praktisk tillämpning inom många områden av teknik och vetenskap. Detta är vad ultraljud är, vars roll i livets olika sfärer idag är mycket stor.
Ultraljuds roll i vetenskap och praktik
Ultraljud har de senaste åren börjat spela i vetenskaplig forskningen allt viktigare roll. Experimentella och teoretiska studier inom området akustiska flöden och ultraljudskavitation genomfördes framgångsrikt, vilket gjorde det möjligt för forskare att utveckla tekniska processer som uppstår när de utsätts för ultraljud i vätskefasen. Det är en kraftfull metod för att studera olika fenomen inom ett sådant kunskapsområde som fysik. Ultraljud används till exempel inom halvledar- och halvledarfysik. Idag bildas en separat gren av kemin, kallad "ultraljudskemi". Dess tillämpning möjliggör acceleration av många kemisk-tekniska processer. Molekylär akustik föddes också - en ny gren inom akustik som studerar ljudvågornas molekylära interaktion med materia. Nya tillämpningsområden för ultraljud har dykt upp: holografi, introskopi, akustoelelektronik, ultraljudsfasmätning, kvantakustik.
Förutom experimentellt och teoretiskt arbete inom detta område har mycket praktiskt arbete gjorts idag. Det har utvecklats speciella och universella ultraljudsmaskiner, installationer som arbetar under ökat statiskt tryck etc. Automatiska ultraljudsinstallationer som ingår i produktionslinjer har introducerats i produktionen, vilket avsevärt kan öka arbetsproduktiviteten.
Mer om ultraljud
Låt oss prata mer om vad ultraljud är. Vi har redan sagt att dessa är elastiska vågor och svängningar. Frekvensen av ultraljud är mer än 15-20 kHz. De subjektiva egenskaperna hos vår hörsel bestämmer den nedre gränsen för ultraljudsfrekvenser, somseparerar det från frekvensen för det hörbara ljudet. Denna gräns är därför villkorad, och var och en av oss definierar på olika sätt vad ultraljud är. Den övre gränsen indikeras av elastiska vågor, deras fysiska natur. De fortplantar sig endast i ett materiellt medium, det vill säga våglängden måste vara betydligt större än den genomsnittliga fria vägen för de molekyler som finns i gasen eller de interatomära avstånden i fasta ämnen och vätskor. Vid norm alt tryck i gaser är den övre gränsen för ultraljudsfrekvenser 109 Hz, och i fasta ämnen och vätskor - 1012-10 13 Hz.
Ultraljudkällor
Ultraljud finns i naturen både som en komponent av många naturliga ljud (vattenfall, vind, regn, småsten som rullas av vågorna, såväl som i ljuden som åtföljer åskväder, etc.), och som en integrerad del av djurvärlden. Vissa djurarter använder det för orientering i rymden, upptäckt av hinder. Det är också känt att delfiner använder ultraljud i naturen (främst frekvenser från 80 till 100 kHz). I det här fallet kan kraften hos lokaliseringssignalerna som sänds ut av dem vara mycket stor. Delfiner är kända för att kunna upptäcka fiskstim upp till en kilometer bort.
Ultraljudssändare (källor) är indelade i två stora grupper. Den första är generatorer, där svängningar exciteras på grund av närvaron av hinder i dem installerade i vägen för ett konstant flöde - en stråle av vätska eller gas. Den andra gruppen i vilken ultraljudskällor kan kombineras ärelektroakustiska givare som omvandlar givna fluktuationer i ström eller elektrisk spänning till en mekanisk vibration gjord av en solid kropp som utstrålar akustiska vågor i omgivningen.
Ultraljudsmottagare
Vid medelhöga och låga frekvenser är ultraljudsmottagare oftast elektroakustiska givare av piezoelektrisk typ. De kan återge formen av den mottagna akustiska signalen, representerad som ett tidsberoende av ljudtrycket. Enheter kan ha antingen bredband eller resonans, beroende på applikationsförhållandena de är avsedda för. Termiska mottagare används för att erhålla tidsgenomsnittliga ljudfältsegenskaper. De är termistorer eller termoelement belagda med ett ljudabsorberande ämne. Ljudtryck och intensitet kan också uppskattas med optiska metoder, såsom diffraktion av ljus med ultraljud.
Var används ultraljud?
Det finns många användningsområden, samtidigt som olika funktioner för ultraljud används. Dessa områden kan grovt delas in i tre områden. Den första av dem är kopplad till att få olika information med hjälp av ultraljudsvågor. Den andra riktningen är dess aktiva inverkan på ämnet. Och den tredje är kopplad till överföring och bearbetning av signaler. US av ett visst frekvensområde används i varje fall. Vi kommer bara att täcka ett fåtal av de många områden där den har hittat sin väg.
Ultraljudsrengöring
Kvaliteten på denna rengöring kan inte jämföras med andra metoder. Vid sköljning av delar, till exempel, finns upp till 80% av föroreningarna kvar på deras yta, cirka 55% - med vibrationsrengöring, cirka 20% - med manuell rengöring, och med ultraljudsrengöring kvarstår inte mer än 0,5% av föroreningarna. Detaljer som har en komplex form kan rengöras väl endast med hjälp av ultraljud. En viktig fördel med dess användning är hög produktivitet, såväl som låga kostnader för fysiskt arbete. Dessutom kan du ersätta dyra och brandfarliga organiska lösningsmedel med billiga och säkra vattenlösningar, använda flytande freon, etc.
Ett allvarligt problem är luftföroreningar med sot, rök, damm, metalloxider etc. Du kan använda ultraljudsmetoden för att rengöra luft och gas i gasuttag, oavsett omgivande luftfuktighet och temperatur. Om en ultraljudssändare placeras i en dammavsättningskammare kommer dess effektivitet att öka hundratals gånger. Vad är kärnan i sådan rening? Dammpartiklar som rör sig slumpmässigt i luften träffar varandra starkare och oftare under påverkan av ultraljudsvibrationer. Samtidigt ökar deras storlek på grund av att de smälter samman. Koagulering är processen för partikelförstoring. Specialfilter fångar deras viktade och förstorade kluster.
Bearbetning av spröda och superhårda material
Om du går in mellan arbetsstycket och arbetsytan på verktyget med hjälp av ultraljud, abrasivt material, då de abrasiva partiklarna under driftemitter kommer att påverka ytan på denna del. I detta fall förstörs och avlägsnas materialet, utsätts för bearbetning under inverkan av en mängd olika riktade mikropåverkan. Bearbetningens kinematik består av huvudrörelsen - skärning, det vill säga de längsgående vibrationerna som görs av verktyget, och den extra - matningsrörelsen som maskinen utför.
Ultraljud kan göra olika jobb. För slipkorn är energikällan längsgående vibrationer. De förstör det bearbetade materialet. Matningsrörelsen (hjälp) kan vara cirkulär, tvärgående och längsgående. Ultraljudsbearbetning är mer exakt. Beroende på slipmedlets kornstorlek varierar den från 50 till 1 mikron. Med hjälp av verktyg av olika former kan du göra inte bara hål utan också komplexa snitt, krökta yxor, gravera, slipa, göra matriser och till och med borra en diamant. Material som används som slipmedel - korund, diamant, kvartssand, flinta.
Ultraljud i radioelektronik
Ultraljud inom tekniken används ofta inom radioelektronik. I detta område blir det ofta nödvändigt att fördröja en elektrisk signal i förhållande till någon annan. Forskare har hittat en bra lösning genom att föreslå användningen av ultraljudsfördröjningslinjer (LZ för kort). Deras verkan är baserad på det faktum att elektriska impulser omvandlas till mekaniska ultraljudsvibrationer. Hur går det till? Faktum är att ultraljudshastigheten är betydligt lägre än den som utvecklas av elektromagnetiska svängningar. Pulsspänning efter den omvända omvandlingen till elektriska mekaniska vibrationer kommer att fördröjas vid utgången av linjen i förhållande till ingångspulsen.
Piezoelektriska och magnetostriktiva givare används för att omvandla elektriska vibrationer till mekaniska och vice versa. LZ är indelade i piezoelektriska respektive magnetostriktiva.
Ultraljud i medicin
Olika typer av ultraljud används för att påverka levande organismer. I medicinsk praxis är dess användning nu mycket populär. Den är baserad på de effekter som uppstår i biologiska vävnader när ultraljud passerar genom dem. Vågorna orsakar fluktuationer i mediets partiklar, vilket skapar en slags vävnadsmikromassage. Och absorptionen av ultraljud leder till deras lokala uppvärmning. Samtidigt sker vissa fysikalisk-kemiska transformationer i biologiska medier. Dessa fenomen orsakar inte irreversibel skada vid måttlig ljudintensitet. De förbättrar bara ämnesomsättningen och bidrar därför till den vitala aktiviteten i kroppen som utsätts för dem. Sådana fenomen används i ultraljudsterapi.
Ultraljud vid operation
Kavitation och stark uppvärmning vid höga intensiteter leder till vävnadsförstöring. Denna effekt används idag inom kirurgi. Fokuserat ultraljud används för kirurgiska operationer, vilket möjliggör lokal förstörelse i de djupaste strukturerna (till exempel hjärnan), utan att skada de omgivande. Ultraljud används också vid kirurgiverktyg där arbetsänden ser ut som en fil, skalpell, nål. Vibrationerna som utsätts för dem ger dessa instrument nya kvaliteter. Den erforderliga kraften reduceras avsevärt, därför minskar operationens traumatism. Dessutom manifesteras en smärtstillande och hemostatisk effekt. Slag med ett trubbigt instrument med hjälp av ultraljud används för att förstöra vissa typer av neoplasmer som har dykt upp i kroppen.
Påverkan på biologiska vävnader utförs för att förstöra mikroorganismer och används i processerna för sterilisering av mediciner och medicinska instrument.
Forskning av inre organ
Vi talar främst om studiet av bukhålan. För detta ändamål används en speciell apparat. Ultraljud kan användas för att hitta och känna igen olika vävnads- och anatomiska anomalier. Utmaningen är ofta följande: en malignitet misstänks och måste särskiljas från en godartad eller infektiös lesion.
Ultraljud är användbart för att undersöka levern och för andra uppgifter, som inkluderar upptäckt av hinder och sjukdomar i gallgångarna, samt undersökning av gallblåsan för att upptäcka förekomsten av stenar och andra patologier i den. Dessutom kan testning av skrumplever och andra diffusa benigna leversjukdomar användas.
Inom gynekologi, främst vid analys av äggstockar och livmoder, är användningen av ultraljud lång tidden huvudsakliga riktningen i vilken det utförs särskilt framgångsrikt. Ofta behövs även här differentiering av godartade och maligna formationer, vilket vanligtvis kräver bästa kontrast och rumslig upplösning. Liknande slutsatser kan vara användbara vid studier av många andra inre organ.
Användningen av ultraljud i tandvården
Ultraljud har även hittat in i tandvården, där det används för att ta bort tandsten. Det låter dig snabbt, blodfritt och smärtfritt ta bort plack och sten. Samtidigt skadas inte munslemhinnan, och "fickorna" i kaviteten desinficeras. Istället för smärta upplever patienten en känsla av värme.
