Ultraääni……………………………………………………………………….4

Ultraääni elastisina aaltoina…………………………………………..4

Ultraäänen erityispiirteet…………………………………..5

Ultraäänen lähteet ja vastaanottimet…………………………………………..7

Mekaaniset emitterit………………………………………………7

Sähköakustiset muuntimet……………………………….9

Ultraäänivastaanottimet………………………………………………..11

Ultraäänen käyttö……………………………………………………11

Ultraäänipuhdistus…………………………………………………11

Superkovien ja hauraiden koneistus

materiaalit…………………………………………………………………13

Ultraäänihitsaus………………………………………………….14

Ultraäänijuotto ja tinaus………………………………………14

Tuotantoprosessien nopeuttaminen………………..…………15

Ultraäänivirheiden tunnistus………………………………………………………………………………………

Ultraääni radioelektroniikassa…………………………………………17

Ultraääni lääketieteessä…………………………………………………..18

Kirjallisuus……………………………………………………..…………………….19

johtaa.

21. vuosisata on atomin, avaruuden valloituksen, radioelektroniikan ja ultraäänen vuosisata. Ultraäänitiede on suhteellisen nuori. Ensimmäisen ultraäänen tutkimuksen laboratoriotyön suoritti suuri venäläinen fyysikko P. N. Lebedev 1800-luvun lopulla, ja sitten monet merkittävät tutkijat harjoittivat ultraääntä.

Ultraääni on keskimääräisten hiukkasten aaltomainen värähtelevä liike. Ultraäänellä on joitain ominaisuuksia verrattuna kuuloalueen ääniin. Ultraäänialueella on suhteellisen helppoa saada suunnattua säteilyä; se soveltuu hyvin tarkentamiseen, minkä seurauksena ultraäänivärähtelyjen voimakkuus kasvaa. Kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa leviäessään ultraääni synnyttää mielenkiintoisia ilmiöitä, joista monet ovat löytäneet käytännön sovellutuksia eri tieteen ja tekniikan aloilla.

Viime vuosina ultraäänellä on alkanut olla yhä tärkeämpi rooli tieteellisessä tutkimuksessa. Teoreettiset ja kokeelliset tutkimukset ultraäänikavitaation ja akustisten virtausten alalla on suoritettu onnistuneesti, mikä mahdollisti uusien teknisten prosessien kehittämisen, jotka tapahtuvat ultraäänen vaikutuksesta nestefaasissa. Tällä hetkellä kemiassa on muodostumassa uusi suunta - ultraäänikemia, joka mahdollistaa monien kemiallisten ja teknologisten prosessien nopeuttamisen. Tieteellinen tutkimus vaikutti uuden akustiikan osan syntymiseen - molekyyliakustiikkaan, joka tutkii ääniaaltojen molekyylien vuorovaikutusta aineen kanssa. Uusia ultraäänen sovellusalueita on ilmaantunut: introskopia, holografia, kvanttiakustiikka, ultraäänifaasimittaus, akustoelektroniikka.

Ultraäänialan teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen ohella on tehty paljon käytännön työtä. On kehitetty yleis- ja erikoisultraäänikoneita, korotetulla staattisella paineella toimivia asennuksia, ultraäänikoneistettuja osien puhdistamiseen tarkoitettuja asennuksia, generaattoreita, joissa on korotettu taajuus ja uusi jäähdytysjärjestelmä, muuntimia, joilla on tasaisesti jakautunut kenttä. On luotu ja otettu tuotantoon automaattisia ultraäänilaitteistoja, jotka sisältyvät tuotantolinjoihin, mikä mahdollistaa työn tuottavuuden lisäämisen merkittävästi.

ultraääni.

Ultraääni (US) - elastiset värähtelyt ja aallot, joiden taajuus ylittää 15 - 20 kHz. Ultraäänitaajuusalueen alaraja, joka erottaa sen kuuluvan äänen alueesta, määräytyy ihmisen kuulon subjektiivisten ominaisuuksien mukaan ja on ehdollinen, koska kuuloaistin yläraja on erilainen jokaiselle henkilölle. Ultraäänitaajuuksien yläraja johtuu elastisten aaltojen fysikaalisesta luonteesta, joka voi levitä vain aineellisessa väliaineessa, ts. edellyttäen, että aallonpituus on paljon suurempi kuin molekyylien keskimääräinen vapaa reitti kaasussa tai atomien väliset etäisyydet nesteissä ja kiinteissä aineissa. Normaalipaineisissa kaasuissa ultraäänitaajuuksien yläraja on » 10 9 Hz, nesteissä ja kiinteissä aineissa rajataajuus on 10 12 -10 13 Hz. Aallonpituudesta ja taajuudesta riippuen ultraäänellä on erilaisia ​​​​säteilyn, vastaanoton, etenemisen ja sovelluksen erityispiirteitä, joten ultraäänen taajuuksien alue on jaettu kolmeen alueeseen:

· matalat ultraäänitaajuudet (1,5 × 10 4 - 10 5 Hz);

keskimääräinen (105 - 107 Hz);

korkea (10 7 - 10 9 Hz).

Elastisia aaltoja, joiden taajuudet ovat 10 9 - 10 13 Hz, kutsutaan yleensä hyperääniksi.

Ultraääni elastisina aaltoina.

Ultraääniaallot (kuulumaton ääni) eivät luonteeltaan eroa elastisista aalloista kuultavissa olevissa aalloissa. Leviää vain kaasuissa ja nesteissä pituussuuntainen aalloissa ja kiinteissä aineissa - pituussuuntainen ja leikkaus s.

Ultraäänen eteneminen noudattaa minkä tahansa taajuusalueen akustisille aalloille yhteisiä peruslakeja. Jakauman peruslait ovat äänen heijastuksen ja taittumisen lait eri välineiden rajoilla, äänen diffraktio ja äänen sironta jos väliaineessa on esteitä ja epätasaisuutta ja rajojen epäsäännöllisyyksiä, aaltoputken etenemisen lait rajoitetuilla ympäristön alueilla. Tärkeä rooli on äänen aallonpituuden l ja geometrisen ulottuvuuden D välisellä suhteella, eli aallon reitillä olevan äänilähteen tai esteen koolla ja väliaineen epähomogeenisuuksien koolla. Kun D>>l äänen eteneminen esteiden lähellä tapahtuu pääasiassa geometrisen akustiikan lakien mukaisesti (voit käyttää heijastuksen ja taittumisen lakeja). Poikkeama etenemiskuvion geometrisesta kuviosta ja tarve ottaa huomioon diffraktioilmiöt määräytyy parametrin mukaan.

, jossa r on etäisyys havaintopisteestä diffraktiota aiheuttavaan kohteeseen.

Ultraääniaaltojen etenemisnopeus rajoittamattomassa väliaineessa määräytyy väliaineen elastisuuden ja tiheyden ominaisuuksien mukaan. Rajoitetuissa väliaineissa aallon etenemisnopeuteen vaikuttaa rajojen olemassaolo ja luonne, mikä johtaa nopeuden taajuusriippuvuuteen (äänennopeuden dispersio). Ultraääniaallon amplitudin ja intensiteetin pieneneminen sen eteneessä tiettyyn suuntaan eli äänen vaimeneminen johtuu, kuten minkä tahansa taajuuden aalloilla, aaltorintaman hajoamisesta etäisyyden lähteestä, äänen sironta ja absorptio. Kaikilla taajuuksilla, sekä kuuluvilla että kuulumattomilla alueilla, tapahtuu ns. "klassinen" absorptio, joka johtuu väliaineen leikkausviskositeetista (sisäisestä kitkasta). Lisäksi on ylimääräinen (relaksaatio) absorptio, joka usein ylittää merkittävästi "klassisen" absorption.

Ääniaaltojen merkittävällä intensiteetillä esiintyy epälineaarisia tehosteita:

superpositioperiaatetta rikotaan ja tapahtuu aaltojen vuorovaikutusta, mikä johtaa sävyjen esiintymiseen;

· aaltomuoto muuttuu, sen spektri rikastuu korkeammilla harmonisilla ja vastaavasti absorptio kasvaa;

· kun ultraäänen intensiteetin tietty kynnysarvo saavutetaan, nesteessä tapahtuu kavitaatiota (katso alla).

Lineaarisen akustiikan lakien sovellettavuuden ja epälineaaristen vaikutusten huomioimatta jättämisen kriteeri on: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Parametria M kutsutaan "Mach-luvuksi".

ultraäänen erityispiirteet

Vaikka ultraäänen fyysinen luonne ja sen etenemistä määräävät peruslait ovat samat kuin minkä tahansa taajuusalueen ääniaaltojen, sillä on useita erityispiirteitä. Nämä ominaisuudet johtuvat suhteellisen korkeista Yhdysvaltain taajuuksista.

Aallonpituuden pieni määrä määrää säteen hahmo ultraääniaaltojen leviäminen. Lähellä emitteriä aallot etenevät säteiden muodossa, joiden poikittaiskoko pysyy lähellä emitterin kokoa. Kun tällainen säde (US-säde) osuu suuriin esteisiin, se heijastuu ja taittuu. Kun säde osuu pieniin esteisiin, syntyy haja-aalto, joka mahdollistaa pienten epähomogeenisuuksien havaitsemisen väliaineessa (mm:n kymmenesosien ja sadasosien luokkaa). Ultraäänen heijastus ja sironta väliaineen epähomogeenisuuksissa mahdollistavat muodostumisen optisesti läpinäkymättömässä väliaineessa äänikuvia esineitä käyttämällä äänen tarkennusjärjestelmiä, samalla tavalla kuin se tehdään valonsäteillä.

Fokusoiva ultraääni mahdollistaa äänikuvien (äänikuvaus- ja akustiset holografiajärjestelmät) lisäksi myös Keskityäänienergiaa. Ultraäänitarkennusjärjestelmien avulla on mahdollista muodostaa ennalta määrätty suuntaavuusominaisuudet päästöjen aiheuttajia ja hallitse niitä.

Jaksottainen muutos valoaaltojen taitekertoimessa, joka liittyy ultraääniaallon tiheyden muutokseen, aiheuttaa valon diffraktio ultraäänellä havaittu USA:n taajuuksilla megahertsi-gigahertsi alueella. Tässä tapauksessa ultraääniaaltoa voidaan pitää diffraktiohilana.

Tärkein epälineaarinen vaikutus ultraäänikentässä on kavitaatio- höyryllä, kaasulla tai niiden seoksella täytettyjen sykkivien kuplien esiintyminen nesteessä. Kuplien monimutkainen liike, niiden romahtaminen, sulautuminen toisiinsa jne. synnyttävät puristuspulsseja (mikroiskuaaltoja) ja mikrovirtoja nesteeseen, aiheuttavat väliaineen paikallista kuumenemista, ionisaatiota. Nämä vaikutukset vaikuttavat aineeseen: tapahtuu nesteen kiinteiden aineiden tuhoutumista ( kavitaatioeroosio), tapahtuu nesteen sekoittumista, erilaisia ​​fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja käynnistetään tai kiihdytetään. Kavitaation olosuhteita muuttamalla on mahdollista tehostaa tai heikentää erilaisia ​​kavitaatiovaikutuksia, esimerkiksi ultraäänitaajuuden kasvaessa mikrovirtojen rooli kasvaa ja kavitaatioeroosio vähenee, nesteen paineen noustessa mikroiskun rooli kasvaa. Taajuuden lisääntyminen johtaa kavitaation alkamista vastaavan kynnysintensiteetin nousuun, joka riippuu nesteen tyypistä, sen kaasupitoisuudesta, lämpötilasta jne. Ilmanpaineisessa vedessä se on yleensä 0,3–1,0 W/cm 2. Kavitaatio on monimutkainen ilmiö. Ultraääniaallot, jotka etenevät nesteessä, muodostavat vuorottelevia korkean ja matalan paineen alueita, luoden vyöhykkeitä, joissa on korkea puristus ja harventumisalue. Harvinaisemmalla alueella hydrostaattinen paine laskee siinä määrin, että nesteen molekyyleihin vaikuttavat voimat tulevat suuremmiksi kuin molekyylien välisen koheesion voimat. Hydrostaattisen tasapainon jyrkän muutoksen seurauksena neste "murtuu" muodostaen lukuisia pieniä kaasu- ja höyrykuplia. Seuraavalla hetkellä, kun korkeapainejakso alkaa nesteessä, aiemmin muodostuneet kuplat romahtavat. Kuplan romahtamisen prosessiin liittyy shokkiaaltojen muodostuminen, joilla on erittäin korkea paikallinen hetkellinen paine, joka saavuttaa useita satoja ilmakehyksiä.

Luku ultraäänidiagnostiikan käsikirjan osasta I, jonka ovat kirjoittaneet Venäjän lääketieteellisen jatkokoulutuksen akatemian ultraäänidiagnostiikan osaston työntekijät (CD 2001), toimittanut Mitkov V.V.

(Artikkeli löytyi Internetistä)

1. Ultraäänen fyysiset ominaisuudet
2. Heijastus ja sironta
3. Anturit ja ultraääniaalto
4. Hitaat skannauslaitteet
5. Pikaskannaustyökalut
6. Doppler-laitteet
7. Artefaktit
8. Ultraäänilaitteiden laadunvalvonta
9. Ultraäänen biologinen vaikutus ja turvallisuus
10. Ultraäänidiagnostiikan uusia suuntauksia
11. Kirjallisuus
12. Testikysymykset

ULTRAÄÄNEN FYSIKAALISET OMINAISUUDET

Ultraäänen käyttö lääketieteellisessä diagnostiikassa liittyy mahdollisuuteen saada kuvia sisäelimistä ja rakenteista. Menetelmän perustana on ultraäänen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa. Itse kuvanotto voidaan jakaa kahteen osaan. Ensimmäinen on lyhyiden ultraäänipulssien säteilytys, joka kohdistuu tutkittaviin kudoksiin, ja toinen on kuvan muodostus heijastuneiden signaalien perusteella. Ultraäänidiagnostiikkayksikön toimintaperiaatteen ymmärtäminen, ultraäänen fysiikan perusteiden tuntemus ja sen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa auttavat välttämään laitteen mekaanista, ajattelematonta käyttöä ja siten lähestymään diagnostiikkaprosessia pätevämmin .

Ääni on mekaaninen pitkittäisaalto, jossa hiukkasten värähtelyt ovat samassa tasossa energian etenemissuunnan kanssa (kuva 1).

Riisi. 1. Ultraääniaallon paineen ja tiheyden muutosten visuaalinen ja graafinen esitys.

Aalto kuljettaa energiaa, mutta ei ainetta. Toisin kuin sähkömagneettiset aallot (valo, radioaallot jne.), ääni vaatii väliaineen leviämiseen - se ei voi levitä tyhjiössä. Kuten kaikki aallot, ääntä voidaan kuvata useilla parametreilla. Näitä ovat taajuus, aallonpituus, etenemisnopeus väliaineessa, jakso, amplitudi ja intensiteetti. Taajuuden, jakson, amplitudin ja intensiteetin määrää äänilähde, etenemisnopeus määräytyy väliaineen ja aallonpituuden määrää sekä äänilähde että väliaine. Taajuus on täydellisten värähtelyjen (jaksojen) lukumäärä 1 sekunnin aikana (kuva 2).

Riisi. 2. Ultraääniaaltotaajuus 2 jaksoa 1 s = 2 Hz

Taajuusyksiköt ovat hertsi (Hz) ja megahertsi (MHz). Yksi hertsi on yksi värähtely sekunnissa. Yksi megahertsi = 1000000 hertsiä. Mikä tekee äänestä "ultra"? Tämä on taajuus. Kuuluvan äänen yläraja - 20 000 Hz (20 kilohertsiä (kHz)) - on ultraäänialueen alaraja. Lepakoiden ultraäänipaikantimet toimivat alueella 25÷500 kHz. Nykyaikaisissa ultraäänilaitteissa kuvan saamiseksi käytetään ultraääntä, jonka taajuus on vähintään 2 MHz. Jakso on aika, joka tarvitaan yhden täydellisen värähtelyjakson saavuttamiseen (kuva 3).

Riisi. 3. Ultraääniaallon jakso.

Jakson yksiköt ovat sekuntia (s) ja mikrosekuntia (µs). Yksi mikrosekunti on sekunnin miljoonasosa. Jakso (µs) = 1/taajuus (MHz). Aallonpituus on pituus, jonka yksi värähtely vie avaruudessa (kuva 4).

Riisi. 4. Aallonpituus.

Mittayksiköt ovat metri (m) ja millimetri (mm). Ultraäänen etenemisnopeus on nopeus, jolla aalto kulkee väliaineen läpi. Ultraäänen etenemisnopeuden yksiköt ovat metri sekunnissa (m/s) ja millimetri per mikrosekunti (mm/µs). Ultraäänen etenemisnopeus määräytyy väliaineen tiheyden ja elastisuuden mukaan. Ultraäänen etenemisnopeus kasvaa elastisuuden lisääntyessä ja väliaineen tiheyden pienentyessä. Taulukossa 2.1 on esitetty ultraäänen etenemisnopeus joissakin ihmiskehon kudoksissa.

Ultraäänen keskimääräinen etenemisnopeus ihmiskehon kudoksissa on 1540 m/s - useimmat ultraäänidiagnostiikkalaitteet on ohjelmoitu tälle nopeudelle. Ultraäänen etenemisnopeus (C), taajuus (f) ja aallonpituus (λ) liittyvät toisiinsa seuraavalla yhtälöllä: C = f × λ. Koska tässä tapauksessa nopeutta pidetään vakiona (1540 m/s), loput kaksi muuttujaa f ja λ on kytketty toisiinsa käänteisesti verrannollisella suhteella. Mitä suurempi taajuus, sitä lyhyempi aallonpituus ja sitä pienempiä kohteita voimme nähdä. Toinen tärkeä väliaineen parametri on akustinen impedanssi (Z). Akustinen vastus on väliaineen tiheyden ja ultraäänen etenemisnopeuden tulo. Resistanssi (Z) = tiheys (p) × etenemisnopeus (C).

Ultraäänidiagnostiikan kuvan saamiseksi ei käytetä ultraääntä, jota anturi lähettää jatkuvasti (vakioaalto), vaan ultraääntä, joka lähetetään lyhyiden pulssien muodossa (pulssi). Se syntyy, kun pietsosähköiseen elementtiin kohdistetaan lyhyitä sähköimpulsseja. Pulssiultraäänen karakterisointiin käytetään lisäparametreja. Pulssin toistotaajuus on aikayksikössä (sekunnissa) lähetettyjen pulssien lukumäärä. Pulssin toistotaajuus mitataan hertseinä (Hz) ja kilohertseinä (kHz). Pulssin kesto on yhden pulssin aikajakso (kuva 5).

Riisi. 5. Ultraäänipulssin kesto.

Se mitataan sekunteina (s) ja mikrosekunteina (µs). Käyttöaste on se osa ajasta, jonka aikana ultraäänisäteily (pulssien muodossa) tapahtuu. Spatiaalinen pulssin pituus (STP) on sen tilan pituus, johon yksi ultraäänipulssi sijoitetaan (kuva 6).

Riisi. 6. Pulssin spatiaalinen laajeneminen.

Pehmytkudoksissa pulssin spatiaalinen pituus (mm) on yhtä suuri kuin 1,54 (ultraäänen etenemisnopeus mm/µs) ja värähtelyjen (jaksojen) määrä pulssia kohti (n) jaettuna taajuudella MHz. Tai PPI = 1,54 × n/f. Pulssin spatiaalisen pituuden pieneneminen voidaan saavuttaa (ja tämä on erittäin tärkeää aksiaalisen resoluution parantamiseksi) vähentämällä pulssin värähtelyjen määrää tai lisäämällä taajuutta. Ultraääniaallon amplitudi on havaitun fyysisen muuttujan suurin poikkeama keskiarvosta (kuva 7).

Riisi. 7. Ultraääniaallon amplitudi

Ultraäänen intensiteetti on aallon tehon suhde alueeseen, jolle ultraäänivirtaus jakautuu. Se mitataan watteina neliösenttimetriä kohti (W/cm2). Samalla säteilyteholla, mitä pienempi vuon pinta-ala, sitä suurempi intensiteetti. Intensiteetti on myös verrannollinen amplitudin neliöön. Siten, jos amplitudi kaksinkertaistuu, intensiteetti nelinkertaistuu. Voimakkuus on epätasainen sekä virtauksen alueella että pulssiultraäänen tapauksessa ajan myötä.

Kun kuljetetaan minkä tahansa väliaineen läpi, ultraäänisignaalin amplitudi ja intensiteetti vähenevät, jota kutsutaan vaimenemiseksi. Ultraäänisignaalin vaimennus johtuu absorptiosta, heijastuksesta ja sironnasta. Vaimennusyksikkö on desibeli (dB). Vaimennuskerroin on ultraäänisignaalin vaimennus tämän signaalin reitin pituutta kohti (dB/cm). Vaimennuskerroin kasvaa taajuuden kasvaessa. Taulukossa 2.2 on esitetty pehmytkudosten keskimääräiset vaimennuskertoimet ja kaikusignaalin intensiteetin lasku taajuudesta riippuen.

HEIJASTOINTI JA SIJOITUS

Kun ultraääni kulkee kudosten läpi väliaineen rajalla, jolla on erilainen akustinen vastus ja ultraäänen nopeus, tapahtuu heijastus-, taittumis-, sironta- ja absorptioilmiöitä. Kulmasta riippuen puhutaan ultraäänisäteen kohtisuorasta ja vinosta (kulmassa) osumisesta. Kun ultraäänisäde on kohtisuorassa, se voidaan heijastua kokonaan tai osittain, kulkea osittain kahden väliaineen rajan läpi; tässä tapauksessa väliaineesta toiseen siirtyvän ultraäänen suunta ei muutu (kuva 8).

Riisi. 8. Ultraäänisäteen tulo kohtisuorassa.

Heijastuneen ultraäänen ja väliaineen rajan läpi kulkeneen ultraäänen intensiteetti riippuu alkuintensiteetistä ja väliaineen akustisten impedanssien erosta. Heijastuneen aallon intensiteetin suhdetta tulevan aallon intensiteettiin kutsutaan heijastuskertoimeksi. Väliaineen rajan läpi kulkeneen ultraääniaallon intensiteetin suhdetta tulevan aallon intensiteettiin kutsutaan ultraäänen johtavuuskertoimeksi. Siten, jos kudoksilla on eri tiheydet, mutta sama akustinen impedanssi, ultraääni ei heijastu. Toisaalta akustisten impedanssien suurella erolla heijastuksen intensiteetti on yleensä 100 %. Esimerkki tästä on ilman ja pehmytkudosten rajapinta. Ultraäänen lähes täydellinen heijastus tapahtuu näiden välineiden rajalla. Ultraäänen johtumisen parantamiseksi ihmiskehon kudoksissa käytetään yhdistävää väliainetta (geeliä). Ultraäänisäteen vinossa tulokulmassa määritetään tulokulma, heijastuskulma ja taitekulma (kuva 9).

Riisi. 9. Heijastus, taittuminen.

Tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Taittuminen on muutos ultraäänisäteen etenemissuunnassa, kun se ylittää väliaineen rajan eri ultraäänenopeuksilla. Taitekulman sini on yhtä suuri kuin tulokulman sinin tulo arvolla, joka saadaan jakamalla ultraäänen etenemisnopeus toisessa väliaineessa ensimmäisen nopeudella. Taitekulman sini ja siten itse taittumiskulma, mitä suurempi, sitä suurempi on ero ultraäänen etenemisnopeuksissa kahdessa väliaineessa. Taittumista ei havaita, jos ultraäänen etenemisnopeudet kahdessa väliaineessa ovat yhtä suuret tai tulokulma on 0. Heijastamisesta puhuttaessa on pidettävä mielessä, että siinä tapauksessa, että aallonpituus on paljon suurempi kuin epäsäännöllisyyksien mitat heijastavan pinnan peiliheijastus tapahtuu (kuvattu yllä). Jos aallonpituus on verrattavissa heijastavan pinnan epäsäännöllisyyksiin tai itse väliaineessa on epähomogeenisuutta, tapahtuu ultraäänen sirontaa.

Riisi. 10. Takaisinsironta.

Takaisinsironnalla (kuva 10) ultraääni heijastuu siihen suuntaan, josta alkuperäinen säde tuli. Sironneiden signaalien intensiteetti kasvaa väliaineen epähomogeenisuuden kasvaessa ja ultraäänen taajuuden kasvaessa (eli aallonpituuden pienentyessä). Sironta riippuu suhteellisen vähän tulevan säteen suunnasta ja mahdollistaa siten heijastavien pintojen paremman visualisoinnin, puhumattakaan elimen parenkyymistä. Jotta heijastunut signaali sijoittuisi oikein näytölle, on välttämätöntä tietää lähetetyn signaalin suunnan lisäksi myös etäisyys heijastimeen. Tämä etäisyys on 1/2 väliaineessa olevan ultraäänen nopeuden ja heijastuneen signaalin lähettämisen ja vastaanoton välisen ajan tulosta (kuva 11). Nopeuden ja ajan tulo jaetaan puoliksi, koska ultraääni kulkee kaksinkertaista polkua (emitteristä heijastimeen ja takaisin), ja meitä kiinnostaa vain etäisyys emitterista heijastimeen.

Riisi. 11. Etäisyyden mittaus ultraäänellä.

ANTURIT JA ULTRAÄÄNIAALTO

Ultraäänen saamiseksi käytetään erityisiä muuntimia, jotka muuttavat sähköenergian ultraäänienergiaksi. Ultraäänen tuotanto perustuu käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen. Vaikutuksen ydin on, että jos tiettyihin materiaaleihin (pietsosähköihin) kohdistetaan sähköjännite, niiden muoto muuttuu (kuva 12).

Riisi. 12. Käänteinen pietsosähköinen vaikutus.

Tätä tarkoitusta varten ultraäänilaitteissa käytetään useimmiten keinotekoisia pietsosähköisiä materiaaleja, kuten lyijyzirkonaattia tai lyijytitanaattia. Sähkövirran puuttuessa pietsosähköinen elementti palaa alkuperäiseen muotoonsa, ja kun napaisuus muuttuu, muoto muuttuu jälleen, mutta päinvastaiseen suuntaan. Jos pietsosähköiseen elementtiin kohdistetaan nopea vaihtovirta, elementti alkaa supistua ja laajentua (eli värähtelee) suurella taajuudella, jolloin syntyy ultraäänikenttä. Anturin toimintataajuus (resonanssitaajuus) määräytyy pietsosähköisessä elementissä olevan ultraäänen etenemisnopeuden suhteesta tämän pietsosähköisen elementin kaksinkertaiseen paksuuteen. Heijastuneiden signaalien havaitseminen perustuu suoraan pietsosähköiseen vaikutukseen (kuva 13).

Riisi. 13. Suora pietsosähköinen vaikutus.

Paluusignaalit aiheuttavat pietsosähköisen elementin värähtelyjä ja vaihtosähkövirran ilmaantumista sen pinnoille. Tässä tapauksessa pietsoelementti toimii ultraäänianturina. Yleensä samoja elementtejä käytetään ultraäänilaitteissa ultraäänen lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Siksi termit "muunnin", "muunnin", "anturi" ovat synonyymejä. Ultraäänianturit ovat monimutkaisia ​​laitteita, ja kuvan skannausmenetelmästä riippuen ne on jaettu sensoreihin hitaille skannauslaitteille (yksi elementti) ja nopea skannaus (reaaliaikainen skannaus) - mekaaninen ja elektroninen. Mekaaniset anturit voivat olla yksi- ja monielementtisiä (rengasmaisia). Ultraäänisäteen pyyhkäisy voidaan saavuttaa heiluttamalla elementtiä, pyörittämällä elementtiä tai heiluttamalla akustista peiliä (kuva 14).

Riisi. 14. Mekaanisen sektorin anturit.

Näytöllä oleva kuva on tässä tapauksessa sektorin (sektorianturit) tai ympyrän (pyöreät anturit) muotoinen. Elektroniset anturit ovat monielementtisiä ja ne voivat muodostuvan kuvan muodosta riippuen olla sektori-, lineaarisia, kupera (kupera) (kuva 15).

Riisi. 15. Elektroniset monielementtiset anturit.

Kuvan pyyhkäisy sektorisensorissa saavutetaan heiluttamalla ultraäänisädettä sen samanaikaisella tarkennuksella (kuva 16).

Riisi. 16. Elektroninen sektorianturi vaiheantennilla.

Lineaarisissa ja kuperaantureissa kuvan pyyhkäisy saadaan aikaan herättämällä elementtiryhmä niiden askel askeleelta liikkeellä antenniryhmää pitkin samanaikaisesti tarkentamalla (kuva 17).

Riisi. 17. Elektroninen lineaarinen anturi.

Ultraäänianturit eroavat yksityiskohdista, mutta niiden kaaviokuva on esitetty kuvassa 18.

Riisi. 18. Ultraäänianturilaite.

Jatkuvan säteilyn tilassa oleva levymäinen yksielementtianturi muodostaa ultraäänikentän, jonka muoto muuttuu etäisyyden mukaan (kuva 19).

Riisi. 19. Tarkentamattoman anturin kaksi kenttää.

Joskus voidaan havaita ylimääräisiä ultraääni "virtauksia", joita kutsutaan sivulohkoiksi. Etäisyyttä levystä lähikentän (vyöhykkeen) pituuteen kutsutaan lähivyöhykkeeksi. Läheisen rajan takana olevaa vyöhykettä kutsutaan kaukaiseksi. Lähialueen pituus on yhtä suuri kuin anturin halkaisijan neliön suhde 4 aallonpituuteen. Kaukoalueella ultraäänikentän halkaisija kasvaa. Ultraäänisäteen suurimman kaventumisen paikkaa kutsutaan tarkennusalueeksi ja anturin ja tarkennusalueen välistä etäisyyttä polttoväliksi. Ultraäänisäteen tarkentamiseen on useita tapoja. Yksinkertaisin tarkennusmenetelmä on akustinen linssi (kuva 20).

Riisi. 20. Tarkennus akustisella linssillä.

Sen avulla voit tarkentaa ultraäänisäteen tiettyyn syvyyteen, joka riippuu linssin kaarevuudesta. Tämä tarkennusmenetelmä ei anna sinun muuttaa nopeasti polttoväliä, mikä on hankalaa käytännön työssä. Toinen tapa tarkentaa on käyttää akustista peiliä (kuva 21).

Riisi. 21. Tarkennus akustisella peilillä.

Tässä tapauksessa muuttamalla peilin ja anturin välistä etäisyyttä, muutamme polttoväliä. Nykyaikaisissa laitteissa, joissa on monielementtiset elektroniset anturit, tarkennus perustuu elektroniseen tarkennukseen (kuva 17). Elektronisella tarkennusjärjestelmällä voimme muuttaa polttoväliä kojetaulusta, mutta jokaista kuvaa kohden meillä on vain yksi tarkennusalue. Koska kuvan saamiseen käytetään erittäin lyhyitä ultraäänipulsseja, jotka lähetetään 1000 kertaa sekunnissa (pulssin toistotaajuus 1 kHz), laite toimii kaikuvastaanottimena 99,9 % ajasta. Tällaisella aikamarginaalilla laite voidaan ohjelmoida siten, että lähitarkennusalue (kuva 22) valitaan ensimmäisen kuvanoton yhteydessä ja tältä vyöhykkeeltä saatu tieto tallennetaan.

Riisi. 22. Dynaaminen tarkennusmenetelmä.

Lisäksi - seuraavan tarkennusalueen valinta, tiedon hankkiminen, tallennus. Ja niin edelleen. Tuloksena on yhdistelmäkuva, joka on tarkennettu koko syvyyteen. On kuitenkin huomattava, että tämä tarkennusmenetelmä vaatii huomattavan paljon aikaa yhden kuvan (kehyksen) saamiseksi, mikä aiheuttaa kuvanopeuden laskun ja kuvan välkkymisen. Miksi ultraäänisäteen tarkentamiseen panostetaan niin paljon? Tosiasia on, että mitä kapeampi säde, sitä parempi lateraalinen (sivusuuntainen, atsimuutti) resoluutio. Sivuresoluutio on pienin etäisyys kahden kohteen välillä, jotka sijaitsevat kohtisuorassa energian etenemissuuntaa vastaan ​​ja jotka esitetään monitorinäytöllä erillisinä rakenteina (kuva 23).

Riisi. 23. Dynaaminen tarkennusmenetelmä.

Sivuresoluutio on yhtä suuri kuin ultraäänisäteen halkaisija. Aksiaalinen resoluutio on pienin etäisyys kahden energian etenemissuunnassa sijaitsevan kohteen välillä, jotka esitetään monitorinäytöllä erillisinä rakenteina (kuva 24).

Riisi. 24. Aksiaalinen resoluutio: mitä lyhyempi ultraäänipulssi, sitä parempi se on.

Aksiaalinen resoluutio riippuu ultraäänipulssin avaruudellisesta laajuudesta - mitä lyhyempi pulssi, sitä parempi resoluutio. Pulssin lyhentämiseen käytetään sekä mekaanista että elektronista ultraäänivärähtelyn vaimennusta. Yleensä aksiaalinen resoluutio on parempi kuin lateraalinen.

HITAASTI SKANNAVAT LAITTEET

Tällä hetkellä hitaat (manuaaliset, monimutkaiset) skannauslaitteet ovat vain historiallisia. Moraalisesti he kuolivat nopeiden skannauslaitteiden (reaaliajassa toimivien laitteiden) myötä. Niiden pääkomponentit säilyvät kuitenkin myös nykyaikaisissa laitteissa (luonnollisesti modernia elementtipohjaa käyttäen). Sydän on tärkein pulssigeneraattori (nykyaikaisissa laitteissa - tehokas prosessori), joka ohjaa kaikkia ultraäänilaitteen järjestelmiä (kuva 25).

Riisi. 25. Kädessä pidettävän skannerin lohkokaavio.

Pulssigeneraattori lähettää sähköisiä impulsseja muuntimeen, joka tuottaa ultraäänipulssin ja lähettää sen kudokseen, vastaanottaa heijastuneet signaalit ja muuntaa ne sähköisiksi värähtelyiksi. Nämä sähköiset värähtelyt lähetetään sitten radiotaajuusvahvistimeen, joka on yleensä kytketty aika-amplitudivahvistussäätimeen (TAGU) - syvään kudosabsorption kompensointisäätimeen. Koska ultraäänisignaalin vaimennus kudoksissa tapahtuu eksponentiaalisen lain mukaan, näytöllä olevien kohteiden kirkkaus vähenee asteittain syvyyden kasvaessa (kuva 26).

Riisi. 26. Kudosabsorption kompensointi.

Käyttämällä lineaarista vahvistinta, ts. kaikki signaalit suhteellisesti vahvistava vahvistin ylivahvistaisi signaaleja anturin välittömässä läheisyydessä yrittäessään parantaa syvien kohteiden visualisointia. Logaritmisen vahvistimen käyttö ratkaisee tämän ongelman. Ultraäänisignaali vahvistetaan suhteessa sen paluuviiveeseen - mitä myöhemmin se palasi, sitä voimakkaampi vahvistus on. Siten TVG:n käyttö mahdollistaa saman kirkkauden kuvan saamisen ruudulle syvälle. Tällä tavalla vahvistettu radiotaajuinen sähköinen signaali syötetään sitten demodulaattoriin, jossa se tasasuunnataan ja suodatetaan, ja taas videovahvistimella vahvistettuna syötetään monitorin näyttöön.

Kuvan tallentamiseksi näyttöruudulle tarvitaan videomuisti. Se voidaan jakaa analogiseen ja digitaaliseen. Ensimmäiset monitorit mahdollistivat tietojen esittämisen analogisessa bistabiilissa muodossa. Diskriminaattoriksi kutsuttu laite mahdollisti erottelukynnyksen muuttamisen - signaalit, joiden voimakkuus oli alle erottelukynnyksen, eivät kulkeneet sen läpi ja näytön vastaavat osat pysyivät tummina. Signaalit, joiden intensiteetti ylitti erottelukynnyksen, esitettiin näytöllä valkoisina pisteinä. Tässä tapauksessa pisteiden kirkkaus ei riipu heijastuneen signaalin intensiteetin absoluuttisesta arvosta - kaikilla valkoisilla pisteillä oli sama kirkkaus. Tällä kuvanesitysmenetelmällä - sitä kutsuttiin "bistabiliksi" - korkean heijastavuuden omaavien elinten ja rakenteiden (esimerkiksi munuaisten poskiontelo) rajat olivat selvästi näkyvissä, mutta parenkymaalisten elinten rakennetta ei ollut mahdollista arvioida. 70-luvulla ilmestyi laitteita, jotka mahdollistivat harmaan sävyjen siirtämisen näyttöruudulle, merkitsi harmaasävylaitteiden aikakauden alkua. Nämä laitteet mahdollistivat sellaisten tietojen saamisen, joita ei ollut saavutettavissa bistabiilin kuvan omaavilla laitteilla. Tietotekniikan ja mikroelektroniikan kehitys mahdollisti pian siirtymisen analogisista kuvista digitaalisiin. Ultraäänilaitteissa digitaaliset kuvat muodostetaan suurille matriiseille (yleensä 512 × 512 pikseliä), joiden harmaasävy on 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bittiä). Kun renderöidään 20 cm:n syvyyteen 512 × 512 pikselin matriisissa, yksi pikseli vastaa 0,4 mm:n lineaarista mittaa. Nykyaikaisissa laitteissa on taipumus kasvattaa näyttöjen kokoa ilman kuvanlaadun heikkenemistä, ja keskitason instrumenteissa 12 tuuman (30 cm) näytöt ovat yleistymässä.

Ultraäänilaitteen (näyttö, näyttö) katodisädeputki käyttää terävästi fokusoitua elektronisädettä tuottamaan kirkkaan täplän näytölle, joka on päällystetty erityisellä loisteaineella. Taittolevyjen avulla tätä kohtaa voidaan siirtää näytön ympärillä.

klo Tyyppi pyyhkäisy (amplitudi) yhdelle akselille piirretään etäisyys anturista, toiselle - heijastuneen signaalin intensiteetti (kuva 27).

Riisi. 27. A-tyypin signaalinpyyhkäisy.

Nykyaikaisissa instrumenteissa A-tyypin pyyhkäisyä ei käytännössä käytetä.

B-tyyppinen skannaus (kirkkaus - kirkkaus) antaa sinun saada tietoa skannausviivaa pitkin heijastuneiden signaalien voimakkuudesta tämän viivan muodostavien yksittäisten pisteiden kirkkauden eron muodossa.

Näytön esimerkki: vasen pyyhkäisy B, oikealla - M ja kardiogrammi.

M-tyyppinen (joskus TM) sweep (Motion - liike) mahdollistaa heijastavien rakenteiden liikkeen (liikkeen) rekisteröinnin ajassa. Tässä tapauksessa heijastavien rakenteiden pystysuuntaiset siirtymät kirjataan eri kirkkauspisteiden muodossa ja vaakasuunnassa - näiden pisteiden sijainnin siirtymä ajassa (kuva 28).

Riisi. 28. M-tyyppinen lakaisukone.

Kaksiulotteisen tomografisen kuvan saamiseksi on tarpeen tavalla tai toisella siirtää skannausviivaa skannaustasoa pitkin. Hitaissa skannauslaitteissa tämä saavutettiin siirtämällä anturia manuaalisesti potilaan kehon pintaa pitkin.

NOPEA SKANNAUSLAITTEET

Nopeat skannerit tai, kuten niitä yleisemmin kutsutaan, reaaliaikaiset skannerit, ovat nyt täysin korvanneet hitaat tai manuaaliset skannerit. Tämä johtuu useista eduista, joita näillä laitteilla on: kyky arvioida elinten ja rakenteiden liikettä reaaliajassa (eli lähes samalla ajanhetkellä); tutkimukseen käytetyn ajan jyrkkä väheneminen; kyky suorittaa tutkimusta pienten akustisten ikkunoiden kautta.

Jos hitaita skannauslaitteita voidaan verrata kameraan (pysäytyskuvien saamiseen), niin reaaliaikaisia ​​laitteita voidaan verrata elokuvateatteriin, jossa still-kuvat (kehykset) korvaavat toisiaan suurella taajuudella luoden vaikutelman liikkeestä.

Nopeissa skannauslaitteissa, kuten edellä mainittiin, käytetään mekaanisia ja elektronisia sektoriantureita, elektronisia lineaarisia antureita, elektronisia kuperia (kuperia) antureita ja mekaanisia radiaaliantureita.

Jokin aika sitten puolisuunnikkaan muotoisia antureita ilmestyi useisiin laitteisiin, joiden näkökenttä oli puolisuunnikkaan muotoinen, mutta niillä ei kuitenkaan ollut etuja kupereihin antureisiin verrattuna, mutta niillä itsellään oli useita haittoja.

Tällä hetkellä paras anturi vatsaontelon, retroperitoneaalitilan ja pienen lantion elinten tutkimiseen on kupera. Siinä on suhteellisen pieni kosketuspinta ja erittäin suuri näkökenttä keski- ja kaukovyöhykkeillä, mikä yksinkertaistaa ja nopeuttaa tutkimusta.

Ultraäänisäteellä skannattaessa jokaisen säteen täydellisen läpäisyn tulosta kutsutaan kehykseksi. Kehys muodostuu suuresta määrästä pystyviivoja (kuva 29).

Riisi. 29. Kuvanmuodostus erillisillä riveillä.

Jokainen linja on vähintään yksi ultraäänipulssi. Pulssin toistotaajuus harmaasävykuvan saamiseksi nykyaikaisissa instrumenteissa on 1 kHz (1000 pulssia sekunnissa).

Pulssin toistonopeuden (PRF), kehyksen muodostavien juovien lukumäärän ja aikayksikköä kohti olevien kehysten lukumäärän välillä on suhde: PRF = rivien määrä × kuvataajuus.

Näyttöruudulla tuloksena olevan kuvan laatu määräytyy erityisesti viivan tiheyden mukaan. Lineaarisen anturin viivatiheys (viivaa/cm) on kehyksen muodostavien viivojen lukumäärän suhde sen näytön osan leveyteen, jolle kuva muodostetaan.

Sektorityyppiselle anturille viivatiheys (viivaa/aste) on kehyksen muodostavien juovien lukumäärän suhde sektorin kulmaan.

Mitä korkeampi kuvataajuus laitteessa on, sitä pienempi on kehyksen muodostavien juovien määrä (tietyllä pulssin toistotaajuudella), sitä pienempi on viivojen tiheys näyttöruudulla ja sitä huonompi on tuloksena olevan kuvan laatu. Mutta suurella kuvanopeudella meillä on hyvä ajallinen resoluutio, mikä on erittäin tärkeää kaikukardiografisissa tutkimuksissa.

DOPPLEROGRAFIALAITTEET

Ultraäänitutkimusmenetelmä mahdollistaa paitsi tiedon saamisen elinten ja kudosten rakenteellisesta tilasta, myös verisuonten virtausten karakterisoinnista. Tämä kyky perustuu Doppler-ilmiöön - vastaanotetun äänen taajuuden muutokseen, kun se liikkuu suhteessa äänen lähteen tai vastaanottimen välineeseen tai ääntä sirottavaan kappaleeseen. Se havaitaan johtuen siitä, että ultraäänen etenemisnopeus missä tahansa homogeenisessa väliaineessa on vakio. Siksi, jos äänilähde liikkuu tasaisella nopeudella, liikkeen suunnassa lähetetyt ääniaallot näyttävät kompressoituvan, mikä lisää äänen taajuutta. Aallot säteilivät vastakkaiseen suuntaan, ikään kuin venytettyinä, aiheuttaen äänen taajuuden laskun (kuva 30).

Riisi. 30. Doppler-ilmiö.

Vertaamalla alkuperäistä ultraäänen taajuutta modifioituun on mahdollista määrittää Doller-siirtymä ja laskea nopeus. Sillä ei ole väliä, lähettääkö äänen liikkuva esine vai heijastaako esine ääniaaltoja. Toisessa tapauksessa ultraäänilähde voi olla paikallaan (ultraäänianturi), ja liikkuvat punasolut voivat toimia ultraääniaaltojen heijastimena. Doppler-siirtymä voi olla joko positiivinen (jos heijastin liikkuu kohti äänilähdettä) tai negatiivinen (jos heijastin siirtyy pois äänilähteestä). Jos ultraäänisäteen tulosuunta ei ole yhdensuuntainen heijastimen liikesuunnan kanssa, Doppler-siirtymä on korjattava tulevan säteen ja heijastimen liikesuunnan välisen kulman q kosinilla. heijastin (kuva 31).

Riisi. 31. Tulevan säteen ja veren virtaussuunnan välinen kulma.

Doppler-tietojen saamiseksi käytetään kahden tyyppisiä laitteita - vakioaalto- ja pulssilaitteita. Jatkuvaaaltoisessa Doppler-instrumentissa anturi koostuu kahdesta muuntimesta: toinen niistä lähettää jatkuvasti ultraääntä, toinen vastaanottaa jatkuvasti heijastuneita signaaleja. Vastaanotin määrittää Doppler-siirtymän, joka on tyypillisesti -1/1000 ultraäänilähteen taajuudesta (äänialue) ja lähettää signaalin kaiuttimiin ja rinnakkain monitoriin aaltomuodon kvalitatiivista ja kvantitatiivista arviointia varten. Vakioaaltolaitteet havaitsevat verenvirtauksen lähes koko ultraäänisäteen reitillä, eli niillä on suuri ohjaustilavuus. Tämä voi aiheuttaa riittämättömien tietojen saamisen, kun useita astioita tulee kontrollitilavuuteen. Suuri kontrollitilavuus on kuitenkin hyödyllinen laskettaessa paineen laskua läppästenoosissa.

Verenvirtauksen arvioimiseksi tietyllä alueella on tarpeen sijoittaa kontrollitilavuus tutkittavalle alueelle (esimerkiksi tietyn suonen sisälle) visuaalisen valvonnan alaisena monitorin näytöllä. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä pulssilaitetta. Doppler-siirtymällä on yläraja, joka voidaan havaita pulssiinstrumenteilla (kutsutaan joskus Nyquistin rajaksi). Se on noin 1/2 pulssin toistotaajuudesta. Kun se ylittyy, Doppler-spektri vääristyy (aliasoituu). Mitä suurempi pulssin toistotaajuus, sitä suurempi Doppler-siirtymä voidaan määrittää ilman vääristymiä, mutta sitä pienempi instrumentin herkkyys hitaille virtauksille.

Koska kudoksiin suunnatut ultraäänipulssit sisältävät suuren joukon taajuuksia päätaajuuksien lisäksi, ja myös siitä, että virtauksen yksittäisten osien nopeudet eivät ole samat, heijastunut pulssi koostuu suuresta useita eri taajuuksia (kuva 32).

Riisi. 32. Ultraäänipulssin spektrin kuvaaja.

Nopean Fourier-muunnoksen avulla pulssin taajuuskoostumus voidaan esittää spektrinä, joka voidaan näyttää monitorin näytöllä käyränä, jossa Doppler-siirtotaajuudet piirretään vaakasuunnassa ja kunkin komponentin amplitudi piirretään pystysuunnassa. Doppler-spektristä on mahdollista määrittää suuri määrä verenvirtauksen nopeusparametreja (maksiminopeus, nopeus diastolin lopussa, keskinopeus jne.), mutta nämä indikaattorit ovat kulmasta riippuvaisia ​​ja niiden tarkkuus riippuu suuresti kulman korjauksen tarkkuus. Ja jos suurissa ei-kierteisissä suonissa kulman korjaus ei aiheuta ongelmia, niin pienissä mutkaisissa suonissa (kasvainsuonet) on melko vaikea määrittää virtauksen suunta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu useita lähes hiilestä riippumattomia indeksejä, joista yleisimmät ovat vastusindeksi ja pulsaatioindeksi. Vastusindeksi on enimmäis- ja miniminopeuksien eron suhde maksimivirtausnopeuteen (kuva 33). Pulsaatioindeksi on maksimi- ja miniminopeuksien eron suhde keskimääräiseen virtausnopeuteen.

Riisi. 33. Vastusindeksin ja pulsaattoriindeksin laskenta.

Doppler-spektrin saaminen yhdestä kontrollitilavuudesta mahdollistaa verenkierron arvioinnin hyvin pienellä alueella. Värivirtakuvaus (Color Doppler) tarjoaa reaaliaikaista 2D-virtaustietoa perinteisen 2D-harmaasävykuvauksen lisäksi. Väri-Doppler-kuvaus laajentaa kuvanoton pulssiperiaatteen mahdollisuuksia. Kiinteistä rakenteista heijastuvat signaalit tunnistetaan ja esitetään harmaasävyinä. Jos heijastuneen signaalin taajuus eroaa lähetetystä signaalista, se tarkoittaa, että se heijastui liikkuvasta kohteesta. Tässä tapauksessa määritetään Doppler-siirtymä, sen etumerkki ja keskinopeuden arvo. Näitä parametreja käytetään värin, sen kylläisyyden ja kirkkauden määrittämiseen. Tyypillisesti virtaussuunta anturin suuntaan on koodattu punaisella ja poispäin anturista sinisellä. Värin kirkkaus määräytyy virtausnopeuden mukaan.

Viime vuosina on ilmestynyt väri-Doppler-kartoituksen muunnos, nimeltään "teho-Doppler" (Power Doppler). Teho-Dopplerilla ei määritetä heijastuneen signaalin Doppler-siirtymän arvoa, vaan sen energiaa. Tämä lähestymistapa mahdollistaa menetelmän herkkyyden lisäämisen pienille nopeuksille ja sen tekemisen lähes kulmasta riippumattomaksi, vaikkakin menetetään kyky määrittää virtauksen nopeuden ja suunnan itseisarvo.

ARTIFAKTIT

Ultraäänidiagnostiikan artefakti on olemattomien rakenteiden esiintyminen kuvassa, olemassa olevien rakenteiden puuttuminen, rakenteiden väärä sijainti, rakenteiden väärä kirkkaus, väärät rakenteiden ääriviivat, väärät rakenteiden koot. Jälkikaiunta, yksi yleisimmistä artefakteista, tapahtuu, kun ultraäänipulssi osuu kahden tai useamman heijastavan pinnan väliin. Tällöin osa ultraäänipulssin energiasta heijastuu toistuvasti näiltä pinnoilta ja palaa joka kerta osittain anturiin säännöllisin väliajoin (kuva 34).

Riisi. 34. Kaiku.

Tämän seurauksena näyttöruudulle tulee olemattomia heijastavia pintoja, jotka sijaitsevat toisen heijastimen takana etäisyydellä, joka on yhtä suuri kuin ensimmäisen ja toisen heijastimen välinen etäisyys. Joskus on mahdollista vähentää jälkikaiunta muuttamalla anturin asentoa. Kaiun muunnelma on artefakti nimeltä "komeetan häntä". Se havaitaan, kun ultraääni aiheuttaa kohteen luonnollisia värähtelyjä. Tämä artefakti havaitaan usein pienten kaasukuplien tai pienten metalliesineiden takana. Koska koko heijastunut signaali ei aina palaa anturiin (kuva 35), syntyy tehokkaan heijastavan pinnan artefakti, joka on pienempi kuin todellinen heijastava pinta.

Riisi. 35. Tehokas heijastava pinta.

Tämän artefaktin vuoksi ultraäänellä määritetyt hammaskiven koot ovat yleensä hieman pienempiä kuin todelliset. Taittuminen voi aiheuttaa kohteen väärän sijainnin tuloksena olevassa kuvassa (kuva 36).

Riisi. 36. Tehokas heijastava pinta.

Siinä tapauksessa, että ultraäänen reitti anturista heijastavaan rakenteeseen ja takaisin ei ole sama, tuloksena olevassa kuvassa tapahtuu kohteen väärä sijainti. Peiliartefaktit ovat esineen ulkonäkö, joka sijaitsee vahvan heijastimen toisella puolella (kuva 37).

Riisi. 37. Peili artefakti.

Spekulaariset esineet esiintyvät usein aukon lähellä.

Akustinen varjoartefaktti (kuva 38) esiintyy ultraääntä voimakkaasti heijastavien tai voimakkaasti absorboivien rakenteiden takana. Akustisen varjon muodostumismekanismi on samanlainen kuin optisen varjon.

Riisi. 38. Akustinen varjo.

Distaalisen signaalin vahvistuksen artefakti (kuva 39) esiintyy ultraääntä heikosti absorboivien rakenteiden takana (nestemäiset, nestettä sisältävät muodostelmat).

Riisi. 39. Distaalinen kaiun vahvistus.

Sivuvarjojen artefakti liittyy ultraääniaaltojen taittumiseen ja joskus häiriöihin, kun ultraäänisäde putoaa tangentiaalisesti rakenteen kuperalle pinnalle (kysta, kohdunkaulan sappirakko), jonka ultraäänen nopeus poikkeaa merkittävästi ympäröivistä kudoksista ( kuva 40).

Riisi. 40. Sivuvarjot.

Ultraäänen nopeuden virheelliseen määritykseen liittyvät artefaktit johtuvat siitä, että ultraäänen todellinen etenemisnopeus tietyssä kudoksessa on suurempi tai pienempi kuin keskimääräinen (1,54 m/s) nopeus, jolle laite on ohjelmoitu (kuva 11). . 41).

Riisi. 41. Vääristymät, jotka johtuvat eroista ultraääninopeudessa (V1 ja V2) eri medioissa.

Ultraäänisäteen paksuuden aiheuttamat artefaktit ovat lähinnä nestettä sisältäviä elimiä lähellä seinää olevia heijastuksia, jotka johtuvat siitä, että ultraäänisäteellä on tietty paksuus ja osa tästä säteestä voi samanaikaisesti muodostaa kuvan elimestä ja kuvan viereisestä elimestä. rakenteet (kuva 42).

Riisi. 42. Ultraäänisäteen paksuuden artefakti.

ULTRAÄÄNILAITTEIDEN TOIMINNAN LAATUVALVONTA

Ultraäänilaitteiden laadunvalvontaan kuuluu järjestelmän suhteellisen herkkyyden määrittäminen, aksiaalinen ja lateraalinen resoluutio, kuollut alue, etäisyysmittarin oikea toiminta, rekisteröintitarkkuus, TVG:n oikea toiminta, harmaasävyn dynaamisen alueen määrittäminen jne. . Ultraäänilaitteiden toiminnan laadun valvomiseksi käytetään erityisiä testiesineitä tai kudosta vastaavia fantomeja (kuva 43). Niitä on kaupallisesti saatavilla, mutta niitä ei maassamme laajalti käytetä, minkä vuoksi ultraäänidiagnostiikkalaitteiden kalibrointi kentällä on lähes mahdotonta.

Riisi. 43. American Institute of Ultrasound in Medicinein testiobjekti.

ULTRAÄÄNEN BIOLOGINEN VAIKUTUS JA TURVALLISUUS

Ultraäänen biologista vaikutusta ja sen turvallisuutta potilaalle käsitellään jatkuvasti kirjallisuudessa. Ultraäänen biologisten vaikutusten tuntemus perustuu ultraäänen vaikutusmekanismien tutkimukseen, ultraäänen vaikutuksen tutkimukseen soluviljelmiin, kokeellisiin tutkimuksiin kasveilla, eläimillä ja lopuksi epidemiologisiin tutkimuksiin.

Ultraääni voi aiheuttaa biologisen vaikutuksen mekaanisten ja lämpövaikutusten kautta. Ultraäänisignaalin vaimennus johtuu absorptiosta, ts. ultraääniaaltoenergian muuntaminen lämmöksi. Kudosten kuumeneminen lisääntyy lähetetyn ultraäänen intensiteetin ja sen taajuuden kasvaessa. Kavitaatio on sykkivien kuplien muodostumista nesteessä, joka on täytetty kaasulla, höyryllä tai niiden seoksella. Yksi kavitaation syistä voi olla ultraääniaalto. Onko ultraääni siis haitallista vai ei?

Ultraäänen soluihin kohdistuviin vaikutuksiin liittyvä tutkimus, kokeellinen työ kasveilla ja eläimillä sekä epidemiologiset tutkimukset johtivat American Institute of Ultrasound in Medicine -tutkimukseen seuraavan lausunnon, joka vahvistettiin viimeksi vuonna 1993:

"Varmistettuja biologisia vaikutuksia potilailla tai laitteen parissa työskentelevillä henkilöillä ei ole koskaan raportoitu säteilyn (ultraääni) aiheuttamana, jonka voimakkuus on tyypillistä nykyaikaisille ultraäänidiagnostiikkalaitoksille. Vaikka on mahdollista, että tällaisia ​​biologisia vaikutuksia voidaan havaita tulevaisuudessa Nykyiset tiedot osoittavat, että diagnostisen ultraäänen järkevästä käytöstä potilaalle koituva hyöty on suurempi kuin mahdollinen riski."

UUSIA SUUNTAJA ULTRAÄÄNIDIAGNOOSISSA

Ultraäänidiagnostiikka kehittyy nopeasti, ultraäänidiagnostiikkalaitteita kehitetään jatkuvasti. Voimme olettaa useita pääsuuntia tämän diagnostisen menetelmän tulevalle kehitykselle.

Doppler-tekniikoiden edelleen parantaminen on mahdollista, erityisesti kuten teho-Doppler, kudosten Doppler-värikuvaus.

Kolmiulotteisesta kaikukuvauksesta voi tulevaisuudessa tulla erittäin tärkeä ultraäänidiagnostiikan alue. Tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla olevia ultraäänidiagnostiikkayksiköitä on useita, jotka mahdollistavat kolmiulotteisen kuvan rekonstruoinnin, mutta tämän suunnan kliininen merkitys on edelleen epäselvä.

Ultraäänikontrastien käytön käsitteen esittivät ensimmäisen kerran R.Gramiak ja P.M.Shah 60-luvun lopulla kaikukardiografisessa tutkimuksessa. Tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla oleva kontrasti "Ehovist" (Shering), jota käytetään oikean sydämen kuvantamiseen. Sitä on äskettäin muunnettu pienentämään kontrastihiukkasten kokoa ja se voidaan kierrättää ihmisen verenkiertoelimessä (Levovist, Schering). Tämä lääke parantaa merkittävästi Doppler-signaalia, sekä spektriä että väriä, mikä voi olla välttämätöntä kasvaimen verenvirtauksen arvioinnissa.

Intrakavitaarinen kaiku ultraohuilla sensoreilla avaa uusia mahdollisuuksia onttojen elinten ja rakenteiden tutkimukseen. Kuitenkin tällä hetkellä tämän tekniikan laajaa käyttöä rajoittaa erikoisanturien korkea hinta, jota voidaan lisäksi käyttää tutkimukseen rajoitetun määrän kertoja (1÷40).

Tietokonekuvankäsittely saadun tiedon objektivisointia varten on lupaava suunta, joka voi tulevaisuudessa parantaa parenkymaalisten elinten pienten rakennemuutosten diagnosoinnin tarkkuutta. Valitettavasti tähän mennessä saaduilla tuloksilla ei ole merkittävää kliinistä merkitystä.

Siitä huolimatta, mikä eilen näytti kaukaiselta tulevaisuudelta ultraäänidiagnostiikassa, on tullut nykyään yleiseksi rutiiniksi ja todennäköisesti lähitulevaisuudessa näemme uusien ultraäänidiagnostiikan tekniikoiden käyttöönoton kliinisessä käytännössä.

KIRJALLISUUS

1. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Bioeffects -komitea. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R14.
2. AIUM Biologisten vaikutusten tutkimusraporttien arviointi. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM turvallisuuslausunnot. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R69.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine. Lausunto kliinisestä turvallisuudesta. - J. Ultrasound Med. - 1984; 3:R10.
5. Banjavic RA. Diagnostisten ultraäänilaitteiden laadunvarmistuksen suunnittelu ja huolto. - Semin. Ultraääni - 1983; 4:10-26.
6. Biovaikutusten komitea. Diagnostisen ultraäänen turvallisuusnäkökohdat. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1991.
7. Bioeffects-konferenssin alakomitea. Diagnostisen ultraäänen biovaikutukset ja turvallisuus. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1993.
8. Eden A. Christian Dopplerin etsintä. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et ai. Doppler-ultraääni: fysiikka, instrumentointi ja kliiniset sovellukset. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gil RW. Verenvirtauksen mittaus ultraäänellä: tarkkuus ja virhelähteet. - Ultraääni Med. Biol. - 1985; 11:625-641.
11. Guyton AC. Lääketieteellisen fysiologian oppikirja. 7. painos. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter TV, Haber K. Reaaliaikaisen skannauksen vertailu tavanomaiseen staattiseen B-tilan skannaukseen. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2:363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Doppler-värivirtakuvaus. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau F.W. Biologiset vaikutukset ja mahdolliset vaarat. Julkaisussa: Campbell S, toim. Ultraääni synnytys- ja gynekologiassa. Lontoo, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau F.W. Taittumisen aiheuttama Doppler-kulmavirhe. - Ultraääni Med. Biol. - 1990; 16:523-524. - 1991; 17:97.
16. Kremkau F.W. Doppler-siirtotaajuustiedot. - J. Ultrasound Med. - 1987; 6:167.
17. Kremkau F.W. Ultraäänen turvallisuus ja pitkäaikaisvaikutukset: Mitä kerrot potilaillesi. Julkaisussa: Platt LD, toim. perinataalinen ultraääni; Clin. obstet. Gynecol. - 1984; 27:269-275.
18. Kremkau F.W. Tekniset aiheet (sarake, joka ilmestyy kahden kuukauden välein Reflections-osiossa). - J. Ultrasound Med. - 1983; 2.
19. Laing F.C. Kliinisessä ultraäänessä yleisesti havaitut artefaktit. - Semin. Ultraääni-1983; 4:27-43.
20. Merrit CRB, toim. Doppler-värikuvaus. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. hemodynamiikka. 2. painos. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Eläinten luotain. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O "Rourke MF. McDonald'sin verenvirtaus valtimoissa. Philadelphia, Lea & Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Käytännöllinen Doppler-ultraääni lääkärille. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Diagnostisen ultraäänen turvallisuusnäkökohdat. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Basic Doppler Physics. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
27. Zweibel WJ. Katsaus diagnostisen ultraäänen peruskäsitteisiin. - Semin. Ultraääni - 1983; 4:60-62.
28. Zwiebel WJ. Fysiikka. - Semin. Ultraääni - 1983; 4:1-62.
29. P. Golyamin, ch. toim. Ultraääni. Moskova, "Soviet Encyclopedia", 1979.

TESTIKYSYMYKSIÄ

1. Ultraäänitutkimusmenetelmän perusta on:
   A. elinten ja kudosten visualisointi laitteen näytöllä
   B. Ultraäänen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa
   B. vastaanottaa kaikuja
   G. ultraäänisäteily
   D. kuvan harmaasävyesitys instrumentin näytöllä
2. Ultraääni on ääni, jonka taajuus ei ole pienempi kuin:
   a.15kHz
   B. 20000 Hz
   B. 1 MHz D. 30 Hz E. 20 Hz
3. Ultraäänen etenemisnopeus kasvaa, jos:
   A. väliaineen tiheys kasvaa
   B. väliaineen tiheys pienenee
   B. elastisuus kasvaa
   D. tiheys, elastisuuden kasvu
   D. tiheys pienenee, elastisuus kasvaa
4. Ultraäänen keskimääräinen etenemisnopeus pehmytkudoksissa on:
   A. 1450 m/s
   B. 1620 m/s
   B. 1540 m/s
   D. 1300 m/s
   D. 1420 m/s
5. Ultraäänen etenemisnopeus määräytyy:
   A. taajuus
   B. Amplitudi
   B. Aallonpituus
   G. jakso
   D. Keskiviikko
6. Aallonpituus pehmytkudoksissa kasvavalla taajuudella:
   A. vähenee
   B. pysyy ennallaan
   B. kasvaa
7. Ultraäänen etenemisnopeuden ja taajuuden arvoilla voimme laskea:
   A. Amplitudi
   B. jakso
   B. Aallonpituus
   D. amplitudi ja jakso E. jakso ja aallonpituus
8. Lisääntyvästi vaimennuskerroin pehmytkudoksissa:
   A. vähenee
   B. pysyy ennallaan
   B. kasvaa
9. Mikä seuraavista parametreista määrittää sen väliaineen ominaisuudet, jonka läpi ultraääni kulkee:
   a.vastus
   B. intensiteetti
   B. Amplitudi
   G-taajuus
   D. jakso
10. Mitä seuraavista parametreista ei voida määrittää muista saatavilla olevista parametreista:
    A. Taajuus
    B. jakso
    B. Amplitudi
    G. Aallonpituus
    D. etenemisnopeus
11. Ultraääni heijastuu niiden välineiden rajalta, joilla on eroja:
    A. Tiheys
    B. Akustinen impedanssi
    B. ultraääninopeus
    G. elastisuus
    D. Ultraääninopeus ja kimmoisuus
12. Jotta voit laskea etäisyyden heijastimeen, sinun on tiedettävä:
    A. vaimennus, nopeus, tiheys
    B. vaimennus, vastus
    B. vaimennus, absorptio
    D. signaalin paluuaika, nopeus
    D. tiheys, nopeus
13. Ultraääni voidaan tarkentaa:
    a. vääntynyt elementti
    B. kaareva heijastin
    B. Linssi
    G. vaiheistettu antenni
    D. kaikki edellä mainitut
14. Aksiaalinen resoluutio määräytyy:
    A. keskittyminen
    B. kohteen etäisyys
    B. anturin tyyppi
    D. Keskiviikko
15. Poikittaisresoluutio määräytyy:
    A. keskittyminen
    B. kohteen etäisyys
    B. anturin tyyppi
    G. impulssin värähtelyjen lukumäärä
    D Keskiviikkona

Luku ultraäänidiagnostiikan oppaan osasta I,

kirjoittanut ultraäänidiagnostiikan osaston henkilökunta

Venäjän jatkokoulutuksen lääketieteellinen akatemia

16 Hz - 20 kHz:n taajuuksia, jotka ihmisen kuulokoje pystyy havaitsemaan, kutsutaan yleensä ääni- tai akustisiksi, esimerkiksi hyttysen vinkuksi ”10 kHz. Mutta ilma, merten syvyydet ja maan sisäosat ovat täynnä ääniä, jotka ovat tämän alueen ulkopuolella - infra ja ultraääni. Luonnossa ultraääni esiintyy monien luonnollisten äänien komponenttina, tuulen, vesiputouksen, sateen, merikivien, surffauksen, salamapurkausten melussa. Monilla nisäkkäillä, kuten kissoilla ja koirilla, on kyky havaita ultraääntä jopa 100 kHz asti, ja lepakoiden, yöllisten hyönteisten ja merieläinten paikannuskyvyt ovat kaikkien tiedossa. Tällaisten äänien olemassaolo havaittiin akustiikan kehityksen myötä vasta 1800-luvun lopulla. Samaan aikaan aloitettiin ensimmäiset ultraäänitutkimukset, mutta sen soveltamisen perusta luotiin vasta 1900-luvun ensimmäisellä kolmanneksella.

Mikä on ultraääni

Ultraääniaallot (kuulumaton ääni) eivät luonteeltaan poikkea kuuluvan alueen aalloista ja noudattavat samoja fysikaalisia lakeja. Mutta ultraäänellä on erityispiirteitä, jotka ovat määrittäneet sen laajan käytön tieteessä ja tekniikassa.

Tässä ovat tärkeimmät:

• Pieni aallonpituus. Alimmalla ultraäänialueella aallonpituus ei ylitä muutamaa senttimetriä useimmissa välineissä. Lyhyt aallonpituus määrittää ultraääniaaltojen etenemisen säteen luonteen. Lähellä emitteriä ultraääni etenee säteiden muodossa, jotka ovat kooltaan lähellä emitterin kokoa. Väliaineen epähomogeenisuuksiin osuessaan ultraäänisäde käyttäytyy valonsäteenä, kokee heijastuksen, taittumisen, sironnan, mikä mahdollistaa äänikuvien muodostamisen optisesti läpinäkymättömässä materiaalissa käyttämällä puhtaasti optisia tehosteita (tarkennus, diffraktio jne.)
• Pieni värähtelyjakso, joka mahdollistaa ultraäänen lähettämisen pulssien muodossa ja etenevien signaalien tarkan ajallisen valinnan väliaineessa.
• Mahdollisuus saada korkeita värähtelyjen intensiteetin arvoja pienellä amplitudilla, koska värähtelyjen energia on verrannollinen taajuuden neliöön. Tämä mahdollistaa korkean energiatason ultraäänisäteiden ja -kenttien luomisen ilman suuria laitteita.
• Ultraäänikentässä kehittyy merkittäviä akustisia virtoja, joten ultraäänen vaikutus väliaineeseen aiheuttaa erityisiä fysikaalisia, kemiallisia, biologisia ja lääketieteellisiä vaikutuksia, kuten kavitaatiota, kapillaarivaikutusta, dispersiota, emulgointia, kaasunpoistoa, desinfiointia, paikallista lämmitystä ja monia muita.

Ultraäänen historia

Huomio akustiikkaan johtui johtavien valtojen - Englannin ja Ranskan - laivaston tarpeista, koska. akustinen - ainoa signaalityyppi, joka voi kulkea kauas vedessä. Vuonna 1826 ranskalainen tiedemies Colladon määritti äänen nopeuden vedessä. Colladonin kokeilua pidetään modernin hydroakustiikan syntymänä. Törmäys Genevejärven vedenalaiseen kelloon tapahtui ruudin samanaikaisen syttymisen yhteydessä. Colladon havaitsi ruudin välähdyksen 10 mailin etäisyydeltä. Hän kuuli myös kellon äänen vedenalaisesta kuuloputkesta. Mittaamalla näiden kahden tapahtuman välisen aikavälin Colladon laski äänen nopeuden - 1435 m / s. Ero nykyaikaisiin laskelmiin on vain 3 m/s.

Vuonna 1838 Yhdysvalloissa käytettiin ensimmäistä kertaa ääntä merenpohjan profiilin määrittämiseen. Äänen lähde, kuten Colladonin kokemuksessa, oli veden alla soiva kello, ja vastaanottimena olivat suuret kuuloputket, jotka putosivat laidan yli. Kokeen tulokset olivat pettymys - kellon ääni sekä jauhepatruunoiden räjähdys vedessä antoivat liian heikon kaiun, joka oli lähes kuulumaton muiden meren äänien joukossa. Oli tarpeen mennä korkeampien taajuuksien alueelle, mikä mahdollistaisi suunnattujen äänikeilojen luomisen.

Ensimmäisen ultraäänigeneraattorin valmisti vuonna 1883 englantilainen Galton. Ultraääni luotiin kuin korkea ääni veitsen terässä, kun ilmavirta osuu siihen. Tällaisen pisteen roolia Galtonin pillissä näytteli sylinteri, jolla oli terävät reunat. Sylinterin reunan halkaisijaltaan saman rengasmaisen suuttimen kautta paineen alaisena ulos tuleva ilma (tai muu kaasu) juoksi siihen sisään ja esiintyi suurtaajuisia värähtelyjä. Puhaltamalla pilliin vedyllä oli mahdollista saada värähtelyjä 170 kHz asti.

Vuonna 1880 Pierre ja Jacques Curie tekivät ratkaisevan löydön ultraäänitekniikalle. Curien veljekset huomasivat, että kun kvartsikiteisiin kohdistetaan painetta, syntyy sähkövaraus, joka on suoraan verrannollinen kiteen voimaan. Tätä ilmiötä on kutsuttu "pietsosähköisyydeksi" kreikan sanasta, joka tarkoittaa "puristaa". Lisäksi he osoittivat käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, joka syntyy, kun kiteeseen kohdistetaan nopeasti muuttuva sähköpotentiaali, joka saa sen värähtelemään. Tästä lähtien oli teknisesti mahdollista valmistaa pienikokoisia ultraäänilähettimiä ja -vastaanottimia.

Titanicin kuolema törmäyksestä jäävuoren kanssa, tarve taistella uutta asetta vastaan ​​- sukellusveneet vaativat ultraäänihydrakustiikan nopeaa kehitystä. Vuonna 1914 ranskalainen fyysikko Paul Langevin kehitti yhdessä Sveitsissä asuvan venäläisen tiedemiehen Konstantin Shilovskyn kanssa ensin kaikuluotaimen, joka koostui ultraäänilähettimestä ja hydrofonista - pietsosähköiseen vaikutukseen perustuvien ultraäänivärähtelyjen vastaanottimesta. Langevin-Shilovsky-luotain oli ensimmäinen ultraäänilaite, jota käytettiin käytännössä. Myös vuosisadan alussa venäläinen tiedemies S.Ya.Sokolov kehitti ultraäänivirheiden havaitsemisen perusteet teollisuudessa. Vuonna 1937 saksalainen psykiatri Karl Dussik käytti yhdessä fyysikkoveljensä Friedrichin kanssa ensimmäisen kerran ultraääntä aivokasvainten havaitsemiseen, mutta heidän saamansa tulokset olivat epäluotettavia. Lääketieteellisessä diagnostiikassa ultraääntä alettiin käyttää vasta 1950-luvulla Yhdysvalloissa.

Ultraäänen soveltaminen

Ultraäänen eri sovellukset voidaan jakaa kolmeen alueeseen:

1. tiedon vastaanottaminen ultraäänellä
2. vaikutus aineeseen
3. signaalinkäsittely ja siirto

Akustisten aaltojen etenemisnopeuden ja vaimennuksen riippuvuutta aineen ominaisuuksista ja niissä tapahtuvista prosesseista käytetään:

• kemiallisten reaktioiden, faasimuutosten, polymeroinnin jne.
• lujuusominaisuuksien ja materiaalien koostumuksen määrittäminen,
• epäpuhtauksien esiintymisen määrittäminen,
• nesteen ja kaasun virtausnopeuden määrittäminen

Ultraäänen avulla voit pestä, karkottaa jyrsijöitä, käyttää lääketieteessä, tarkistaa erilaisia ​​materiaaleja vikojen varalta ja paljon muuta.

Ultraääni

Ultraääni- elastiset värähtelyt, joiden taajuus ylittää henkilön kuulorajan. Yleensä ultraäänialueen katsotaan olevan yli 18 000 hertsin taajuuksia.

Vaikka ultraäänen olemassaolo on ollut tiedossa pitkään, sen käytännön käyttö on varsin nuorta. Nykyään ultraääntä käytetään laajasti erilaisissa fysikaalisissa ja teknologisissa menetelmissä. Joten, äänen etenemisnopeuden mukaan väliaineessa, sen fyysiset ominaisuudet arvioidaan. Nopeusmittaukset ultraäänitaajuuksilla mahdollistavat erittäin pienillä virheillä esimerkiksi nopeiden prosessien adiabaattisten ominaisuuksien, kaasujen ominaislämpökapasiteetin arvojen ja kiintoaineiden kimmovakioiden määrittämisen.

Ultraäänen lähteet

Teollisuudessa ja biologiassa käytettyjen ultraäänivärähtelyjen taajuus on useiden MHz:n luokkaa. Tällaisia ​​värähtelyjä luodaan yleensä käyttämällä muuntimia. Tapauksissa, joissa ultraäänivärähtelyn voima on ensisijaisen tärkeä, käytetään yleensä mekaanisia ultraäänilähteitä. Aluksi kaikki ultraääniaallot vastaanotettiin mekaanisesti (äänihaarukat, pillit, sireenit).

Luonnossa US löytyy sekä monien luonnonäänien komponentteina (tuulen, vesiputouksen, sateen melussa, meren surffaamien kivien melussa, salamapurkauksia seuraavissa äänissä jne.) että äänien joukossa. eläinmaailmasta. Jotkut eläimet käyttävät ultraääniaaltoja esteiden havaitsemiseen, avaruuteen suuntautumiseen.

Ultraäänilähettimet voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään. Ensimmäinen sisältää emitterit-generaattorit; niissä olevat värähtelyt kiihtyvät, koska jatkuvan virtauksen tiellä on esteitä - kaasu- tai nestesuihku. Toinen emitterien ryhmä - sähköakustiset muuntimet; ne muuttavat jo annetut sähköjännitteen tai -virran vaihtelut kiinteän kappaleen mekaaniseksi värähtelyksi, joka säteilee akustisia aaltoja ympäristöön.

Pilli Galton

Ensimmäisen ultraäänipillin valmisti vuonna 1883 englantilainen Galton. Ultraääni syntyy täällä kuin korkea ääni veitsen terässä, kun ilmavirta osuu siihen. Tällaisen kärjen roolia Galton-pillissä esittää "huuli" pienessä sylinterimäisessä resonanssiontelossa. Onton sylinterin läpi kulkeva korkeapainekaasu osuu tähän "huuliin"; esiintyy värähtelyjä, joiden taajuus (se on noin 170 kHz) määräytyy suuttimen ja huulten koon mukaan. Galton-pillin teho on alhainen. Sitä käytetään pääasiassa komentojen antamiseen koiria ja kissoja koulutettaessa.

Nestemäinen ultraäänipilli

Useimmat ultraäänipillit voidaan mukauttaa toimimaan nestemäisessä väliaineessa. Verrattuna sähköisiin ultraäänilähteisiin nestemäiset ultraäänipillit ovat pienitehoisia, mutta joskus esimerkiksi ultraäänihomogenoinnissa niillä on merkittävä etu. Koska ultraääniaallot syntyvät suoraan nestemäisessä väliaineessa, ultraääniaaltojen energiahäviö ei tapahdu siirtyessä väliaineesta toiseen. Ehkä menestynein on nestemäisen ultraäänipillin suunnittelu, jonka englantilaiset tutkijat Kottel ja Goodman tekivät 1950-luvun alussa. Siinä korkeapaineinen nestevirta poistuu elliptisestä suuttimesta ja suuntautuu teräslevylle. Tämän mallin erilaiset modifikaatiot ovat tulleet melko yleisiksi homogeenisten väliaineiden saamiseksi. Suunnittelunsa yksinkertaisuuden ja vakauden vuoksi (vain värähtelevä levy tuhoutuu) tällaiset järjestelmät ovat kestäviä ja edullisia.

Sireeni

Toinen mekaaninen ultraäänilähde on sireeni. Sillä on suhteellisen suuri teho ja sitä käytetään poliisi- ja paloautoissa. Kaikki pyörivät sireenit koostuvat ylhäältä levyllä (staattorilla) suljetusta kammiosta, johon tehdään suuri määrä reikiä. Kammion - roottorin - sisällä pyörivässä levyssä on sama määrä reikiä. Kun roottori pyörii, siinä olevien reikien sijainti on ajoittain sama kuin staattorin reikien sijainti. Kammioon syötetään jatkuvasti paineilmaa, joka poistuu siitä niinä lyhyinä hetkinä, kun roottorin ja staattorin reiät osuvat kohdakkain.

Sireenien valmistuksen päätehtävä on ensinnäkin tehdä mahdollisimman monta reikää roottoriin ja toiseksi saavuttaa suuri pyörimisnopeus. Molempia vaatimuksia on kuitenkin erittäin vaikea täyttää käytännössä.

Ultraääni luonnossa

Ultraäänen soveltaminen

Ultraäänen diagnostinen käyttö lääketieteessä (ultraääni)

Ultraäänen hyvä leviäminen ihmisen pehmytkudoksissa, sen suhteellinen vaarattomuus röntgensäteisiin verrattuna ja helppokäyttöisyys magneettikuvaukseen verrattuna ovat ultraäänellä laajalti käytössä ihmisen sisäelinten tilan visualisoinnissa, erityisesti vatsaontelossa ja lantion ontelo.

Ultraäänen terapeuttiset sovellukset lääketieteessä

Sen lisäksi, että ultraääntä käytetään laajalti diagnostisiin tarkoituksiin (katso Ultraääni), sitä käytetään lääketieteessä terapeuttisena aineena.

Ultraäänellä on seuraavat vaikutukset:

• anti-inflammatorinen, imukykyinen
• analgeettinen, kouristuksia estävä
• kavitaatio parantaa ihon läpäisevyyttä

Fonoforeesi on yhdistelmämenetelmä, jossa kudoksiin kohdistuu ultraääni ja sen mukana tuotuja lääkeaineita (sekä lääkkeitä että luonnollista alkuperää). Aineiden johtuminen ultraäänen vaikutuksesta johtuu orvaskeden ja ihorauhasten, solukalvojen ja verisuonten seinämien läpäisevyyden lisääntymisestä pienimolekyylisille aineille, erityisesti biskofiittimineraali-ioneille. Lääkkeiden ja luonnonaineiden ultrafonoforeesin mukavuus:

• lääkeaine ei tuhoudu ultraäänellä
• ultraäänen ja terapeuttisen aineen toiminnan synergismi

Bischofite-ultrafonoforeesin käyttöaiheet: nivelrikko, osteokondroosi, niveltulehdus, bursiitti, epikondyliitti, kantapään kannu, tuki- ja liikuntaelimistön vammojen jälkeiset tilat; Neuriitti, neuropatia, radikuliitti, neuralgia, hermovaurio.

Bischofite-geeliä levitetään ja emitterin työpintaa käytetään vaurioalueen mikrohierontaan. Tekniikka on labiili, yleinen ultrafonoforeesissa (nivelten, selkärangan UVF:llä intensiteetti kohdunkaulan alueella on 0,2-0,4 W/cm2, rintakehän ja lannerangan alueella 0,4-0,6 W/cm2).

Metallin leikkaus ultraäänellä

Perinteisissä metallinleikkauskoneissa on mahdotonta porata monimutkaisen muotoista kapeaa reikää metalliosaan, esimerkiksi viisisakaraisen tähden muodossa. Ultraäänen avulla tämä on mahdollista, magnetostriktiivinen vibraattori voi porata minkä tahansa muotoisia reikiä. Ultraäänitalta korvaa täysin jyrsinkoneen. Samanaikaisesti tällainen taltta on paljon yksinkertaisempi kuin jyrsinkone ja metalliosien käsittely on halvempaa ja nopeampaa kuin jyrsinkoneella.

Ultraääni voi jopa leikata kierteisesti metalliosia, lasia, rubiinia, timanttia. Tyypillisesti lanka valmistetaan ensin pehmeästä metallista ja sitten osa karkaistaan. Ultraäänikoneessa kierteet voidaan tehdä jo karkaistusta metallista ja kovimmista seoksista. Sama postimerkkien kanssa. Tyypillisesti leima karkaistaan ​​sen jälkeen, kun se on huolellisesti viimeistelty. Ultraäänikoneessa monimutkaisin käsittely suoritetaan hioma-aineella (hioma, korundijauhe) ultraääniaallon alueella. Ultraäänen alalla jatkuvasti värähtelevät kiinteät jauhehiukkaset leikkaavat prosessoitavaan metalliseokseen ja leikkaavat samanmuotoisen reiän kuin taltta.

Seosten valmistus ultraäänellä

Ultraääntä käytetään laajalti homogeenisten seosten valmistukseen (homogenointi). Jo vuonna 1927 amerikkalaiset tutkijat Limus ja Wood havaitsivat, että jos kaksi sekoittumatonta nestettä (esimerkiksi öljy ja vesi) kaadetaan yhteen dekantterilasiin ja altistetaan ultraäänisäteilytykselle, dekantterilasiin muodostuu emulsio, eli hienojakoinen suspensio. öljy vedessä. Tällaisilla emulsioilla on tärkeä rooli teollisuudessa: näitä ovat lakat, maalit, lääketuotteet ja kosmetiikka.

Ultraäänen käyttö biologiassa

Ultraäänen kyky murtaa solukalvoja on löytänyt käyttöä biologisessa tutkimuksessa, esimerkiksi tarvittaessa erottaa solu entsyymeistä. Ultraääntä käytetään myös solunsisäisten rakenteiden, kuten mitokondrioiden ja kloroplastien, tuhoamiseen niiden rakenteen ja toiminnan välisen suhteen tutkimiseksi. Toinen ultraäänen sovellus biologiassa liittyy sen kykyyn aiheuttaa mutaatioita. Oxfordissa tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että jopa matalan intensiteetin ultraääni voi vahingoittaa DNA-molekyyliä. Keinotekoisella tarkoituksenmukaisella mutaatioiden luomisella on tärkeä rooli kasvinjalostuksessa. Ultraäänen tärkein etu muihin mutageeneihin (röntgensäteet, ultraviolettisäteet) verrattuna on, että sen kanssa on erittäin helppo työskennellä.

Ultraäänen käyttö puhdistukseen

Ultraäänen käyttö mekaanisessa puhdistuksessa perustuu erilaisten epälineaaristen vaikutusten esiintymiseen nesteessä sen vaikutuksen alaisena. Näitä ovat kavitaatio, akustiset virrat, äänenpaine. Pääroolissa on kavitaatio. Sen kuplat, jotka syntyvät ja romahtavat lähellä saastumista, tuhoavat ne. Tämä vaikutus tunnetaan nimellä kavitaatioeroosio. Näihin tarkoituksiin käytetyllä ultraäänellä on matalat taajuudet ja lisääntynyt teho.

Laboratorio- ja tuotanto-olosuhteissa ultraäänikylpyjä, jotka on täytetty liuottimella (vesi, alkoholi jne.), käytetään pienten osien ja ruokailuvälineiden pesuun. Joskus heidän avullaan jopa juurikasvit (perunat, porkkanat, punajuuret jne.) pestään maapartikkeleista.

Ultraäänen käyttö virtausmittauksessa

Viime vuosisadan 60-luvulta lähtien ultraäänivirtausmittareita on käytetty teollisuudessa virtauksen säätämiseen ja veden ja jäähdytysnesteen laskemiseen.

Ultraäänen käyttö vikojen havaitsemisessa

Ultraääni leviää hyvin joissakin materiaaleissa, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää näistä materiaaleista valmistettujen tuotteiden ultraäänivirheiden havaitsemiseen. Äskettäin on kehitetty ultraäänimikroskopian suuntaus, joka mahdollistaa materiaalin pintakerroksen tutkimisen hyvällä resoluutiolla.

ultraäänihitsaus

Ultraäänihitsaus - painehitsaus, joka suoritetaan ultraäänivärähtelyjen vaikutuksesta. Tämän tyyppistä hitsausta käytetään vaikeasti lämmitettävien osien liittämiseen tai kun yhdistetään erilaisia ​​metalleja tai metalleja vahvoilla oksidikalvoilla (alumiini, ruostumattomat teräkset, permalloy-magneettiytimet jne.). Ultraäänihitsausta käytetään siis integroitujen piirien valmistuksessa.

Ultraäänen käyttö galvanoinnissa

Ultraäänellä tehostetaan galvaanisia prosesseja ja parannetaan sähkökemiallisella menetelmällä valmistettujen pinnoitteiden laatua.

Ultraääni- korkeataajuiset elastiset äänivärähtelyt. Ihmiskorva havaitsee väliaineessa eteneviä elastisia aaltoja taajuudella noin 16-20 kHz; korkeataajuiset värähtelyt edustavat ultraääntä (kuulon ulkopuolella). Yleensä ultraäänialueen katsotaan olevan taajuuskaista 20 000 - miljardi Hz. Äänivärähtelyjä, joiden taajuus on korkeampi, kutsutaan hyperääneksi. Nesteissä ja kiinteissä aineissa äänen värähtely voi olla 1000 GHz

Vaikka tutkijat ovat tienneet ultraäänen olemassaolosta pitkään, sen käytännön käyttö tieteessä, tekniikassa ja teollisuudessa alkoi suhteellisen hiljattain. Nyt ultraääntä käytetään laajasti fysiikan, tekniikan, kemian ja lääketieteen eri aloilla.

Ultraäänen lähteet

Teollisuudessa ja biologiassa käytettävien mikroaaltoultraääniaaltojen taajuus on useiden MHz:n luokkaa. Tällaisten säteiden fokusointi suoritetaan yleensä käyttämällä erityisiä äänilinssejä ja peilejä. Ultraäänisäde, jolla on tarvittavat parametrit, voidaan saada sopivalla muuntimella. Yleisimmät keraamiset muuntimet on valmistettu bariumtitaniitista. Tapauksissa, joissa ultraäänisäteen teho on ensisijaisen tärkeä, käytetään yleensä mekaanisia ultraäänilähteitä. Aluksi kaikki ultraääniaallot vastaanotettiin mekaanisesti (äänihaarukat, pillit, sireenit).

Luonnossa US löytyy sekä monien luonnollisten äänien osana (tuulen, vesiputouksen, sateen melussa, meren surffaamien kivien melussa, salamapurkausten mukana jne.) että äänien joukossa. eläinmaailman ääniä. Jotkut eläimet käyttävät ultraääniaaltoja esteiden havaitsemiseen, avaruuteen suuntautumiseen.

Ultraäänilähettimet voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään. Ensimmäinen sisältää emitterit-generaattorit; niissä olevat värähtelyt kiihtyvät, koska jatkuvan virtauksen tiellä on esteitä - kaasu- tai nestesuihku. Toinen emitterien ryhmä - sähköakustiset muuntimet; ne muuttavat jo asetetut sähköjännitteen tai -virran värähtelyt kiinteän kappaleen mekaaniseksi värähtelyksi, joka lähettää akustisia aaltoja ympäristöön Esimerkkejä säteilijöistä: Galton-pilli, neste- ja ultraäänipilli, sireeni.

Ultraäänen leviäminen.

Ultraäänen leviäminen on ääniaallossa tapahtuvien häiriöiden liikkumisprosessia avaruudessa ja ajassa.

Ääniaalto etenee kaasumaisessa, nestemäisessä tai kiinteässä tilassa samaan suuntaan, johon tämän aineen hiukkaset siirtyvät, eli se aiheuttaa väliaineen muodonmuutoksia. Muodonmuutos johtuu siitä, että väliaineen tiettyjen tilavuuksien peräkkäinen harveneminen ja puristuminen tapahtuu, ja kahden vierekkäisen alueen välinen etäisyys vastaa ultraääniaallon pituutta. Mitä suurempi väliaineen ominaisakustinen vastus on, sitä suurempi on väliaineen puristus- ja harventumisaste tietyllä värähtelyamplitudilla.

Aaltoenergian siirtoon osallistuvat väliaineen hiukkaset värähtelevät tasapainoasemansa ympärillä. Nopeutta, jolla hiukkaset värähtelevät keskimääräisen tasapainoasemansa ympäri, kutsutaan värähteleväksi

nopeus.

Diffraktio, interferenssi

Ultraääniaaltojen etenemisen aikana diffraktio-, häiriö- ja heijastusilmiöt ovat mahdollisia.

Diffraktio (esteiden ympärille taipuvat aallot) tapahtuu, kun ultraäänen aallonpituus on verrattavissa (tai suurempi) tiellä olevan esteen kokoon. Jos este on suuri verrattuna akustiseen aallonpituuteen, diffraktioilmiötä ei ole.

Useiden ultraääniaaltojen samanaikainen liikkuminen kudoksessa väliaineen tietyssä kohdassa voi tapahtua näiden aaltojen superpositio. Tätä aaltojen päällekkäisyyttä toistensa päälle kutsutaan yhteisesti interferenssiksi. Jos ultraääniaallot leikkaavat biologisen kohteen läpikulkuprosessissa, niin tietyssä biologisen väliaineen kohdassa havaitaan värähtelyjen lisääntymistä tai vähenemistä. Häiriön tulos riippuu ultraäänivärähtelyjen vaiheiden avaruudellisesta suhteesta väliaineen tietyssä kohdassa. Jos ultraääniaallot saavuttavat tietyn väliaineen alueen samoissa vaiheissa (in-phase), niin hiukkasten siirtymillä on samat merkit ja häiriöt sellaisissa olosuhteissa lisäävät ultraäänivärähtelyjen amplitudia. Jos ultraääniaallot saapuvat tiettyyn kohtaan antifaasissa, hiukkasten siirtymiseen liittyy erilaisia ​​merkkejä, mikä johtaa ultraäänivärähtelyjen amplitudin laskuun.

Häiriöllä on tärkeä rooli arvioitaessa ilmiöitä, joita esiintyy ultraäänisäteilijän ympärillä olevissa kudoksissa. Erityisen tärkeää on häiriö ultraääniaaltojen etenemisessä vastakkaisiin suuntiin niiden heijastumisen jälkeen esteestä.

Ultraääniaaltojen imeytyminen

Jos väliaineella, jossa ultraääni etenee, on viskositeetti ja lämmönjohtavuus tai siinä on muita sisäisen kitkan prosesseja, niin aallon eteneessä ääni absorboituu, eli sen siirtyessä pois lähteestä ultraäänivärähtelyjen amplitudi pienenee, samoin kuin niiden kuljettama energia. Väliaine, jossa ultraääni etenee, on vuorovaikutuksessa sen läpi kulkevan energian kanssa ja absorboi osan siitä. Valtaosa absorboidusta energiasta muuttuu lämmöksi, pienempi osa aiheuttaa peruuttamattomia rakennemuutoksia välittävässä aineessa. Absorptio on seurausta hiukkasten kitkasta toisiaan vastaan, eri väliaineissa se on erilaista. Absorptio riippuu myös ultraäänivärähtelyjen taajuudesta. Teoreettisesti absorptio on verrannollinen taajuuden neliöön.

Absorptioarvoa voidaan luonnehtia absorptiokertoimella, joka osoittaa kuinka ultraäänen intensiteetti muuttuu säteilytetyssä väliaineessa. Se kasvaa taajuuden myötä. Ultraäänivärähtelyjen voimakkuus väliaineessa laskee eksponentiaalisesti. Tämä prosessi johtuu sisäisestä kitkasta, absorboivan väliaineen lämmönjohtavuudesta ja sen rakenteesta. Sille on alustavasti tunnusomaista puoliabsorboivan kerroksen koko, joka osoittaa, millä syvyydellä värähtelyjen voimakkuus vähenee puoleen (tarkemmin sanottuna 2,718 kertaa tai 63 %). Palmanin mukaan 0,8 MHz:n taajuudella joidenkin kudosten puoliabsorboivan kerroksen keskiarvot ovat seuraavat: rasvakudos - 6,8 cm; lihaksikas - 3,6 cm; rasva- ja lihaskudokset yhdessä - 4,9 cm Ultraäänitaajuuden kasvaessa puoliabsorboivan kerroksen arvo laskee. Joten 2,4 MHz:n taajuudella rasva- ja lihaskudoksen läpi kulkevan ultraäänen intensiteetti puolittuu 1,5 cm:n syvyydessä.

Lisäksi ultraäänivärähtelyjen energian epänormaali absorptio tietyillä taajuusalueilla on mahdollista - tämä riippuu tietyn kudoksen molekyylirakenteen ominaisuuksista. Tiedetään, että 2/3 ultraäänienergiasta vaimenee molekyylitasolla ja 1/3 mikroskooppisten kudosrakenteiden tasolla.

Ultraääniaaltojen tunkeutumissyvyys

Ultraäänen tunkeutumissyvyyden alla ymmärrä syvyys, jossa intensiteetti pienenee puoleen. Tämä arvo on kääntäen verrannollinen absorptioon: mitä voimakkaammin väliaine absorboi ultraääntä, sitä pienemmällä etäisyydellä ultraäänen intensiteetti vaimenee puoleen.

Ultraääniaaltojen sironta

Jos väliaineessa on epähomogeenisuuksia, tapahtuu äänen sirontaa, joka voi merkittävästi muuttaa ultraäänen yksinkertaista etenemismallia ja lopulta myös saada aallon vaimenemaan alkuperäiseen etenemissuuntaan.

Ultraääniaaltojen taittuminen

Koska ihmisen pehmytkudosten akustinen vastus ei juuri eroa veden vastuskyvystä, voidaan olettaa, että ultraääniaaltojen taittuminen havaitaan väliaineiden rajapinnalla (epidermis - dermis - fascia - lihas).

Ultraääniaaltojen heijastus

Ultraäänidiagnostiikka perustuu heijastusilmiöön. Heijastus tapahtuu ihon ja rasvan, rasvan ja lihasten, lihasten ja luiden raja-alueilla. Jos ultraääni kohtaa esteen etenemisen aikana, heijastus tapahtuu, jos este on pieni, ultraääni virtaa sen ympärillä ikään kuin. Rungon heterogeenisyydet eivät aiheuta merkittäviä poikkeamia, koska aallonpituuteen (2 mm) verrattuna niiden mitat (0,1-0,2 mm) voidaan jättää huomiotta. Jos ultraääni matkalla kohtaa aallonpituutta suurempia elimiä, tapahtuu ultraäänen taittuminen ja heijastus. Voimakkain heijastus havaitaan luun - ympäröivien kudosten ja kudosten - ilman rajoilla. Ilman tiheys on pieni ja ultraäänen lähes täydellinen heijastus havaitaan. Ultraääniaaltojen heijastus havaitaan lihaksen - periosteumin - luun rajalla, onttojen elinten pinnalla.

Liikkuvat ja seisovat ultraääniaallot

Jos ultraääniaaltojen etenemisen aikana väliaineessa ne eivät heijastu, muodostuu liikkuvia aaltoja. Energiahäviöiden seurauksena väliaineen hiukkasten värähtelyliikkeet vaimenevat vähitellen, ja mitä kauempana hiukkaset sijaitsevat säteilevästä pinnasta, sitä pienempi on niiden värähtelyjen amplitudi. Jos ultraääniaaltojen etenemisreitillä on kudoksia, joilla on eri akustinen ominaisvastus, niin ultraääniaaltoja heijastuu jossain määrin raja-alueelta. Tulevien ja heijastuneiden ultraääniaaltojen päällekkäisyys voi johtaa seisoviin aaltoihin. Jotta seisovia aaltoja esiintyisi, etäisyyden emitteripinnasta heijastavaan pintaan on oltava puolen aallonpituuden kerrannainen.

Ultraääni

Ultraääni- elastiset värähtelyt, joiden taajuus ylittää henkilön kuulorajan. Yleensä ultraäänialueen katsotaan olevan yli 18 000 hertsin taajuuksia.

Vaikka ultraäänen olemassaolo on ollut tiedossa pitkään, sen käytännön käyttö on varsin nuorta. Nykyään ultraääntä käytetään laajasti erilaisissa fysikaalisissa ja teknologisissa menetelmissä. Joten, äänen etenemisnopeuden mukaan väliaineessa, sen fyysiset ominaisuudet arvioidaan. Nopeusmittaukset ultraäänitaajuuksilla mahdollistavat erittäin pienillä virheillä esimerkiksi nopeiden prosessien adiabaattisten ominaisuuksien, kaasujen ominaislämpökapasiteetin arvojen ja kiintoaineiden kimmovakioiden määrittämisen.

Ultraäänen lähteet

Teollisuudessa ja biologiassa käytettyjen ultraäänivärähtelyjen taajuus on useiden MHz:n luokkaa. Tällaisia ​​värähtelyjä luodaan yleensä käyttämällä muuntimia. Tapauksissa, joissa ultraäänivärähtelyn voima on ensisijaisen tärkeä, käytetään yleensä mekaanisia ultraäänilähteitä. Aluksi kaikki ultraääniaallot vastaanotettiin mekaanisesti (äänihaarukat, pillit, sireenit).

Luonnossa US löytyy sekä monien luonnonäänien komponentteina (tuulen, vesiputouksen, sateen melussa, meren surffaamien kivien melussa, salamapurkauksia seuraavissa äänissä jne.) että äänien joukossa. eläinmaailmasta. Jotkut eläimet käyttävät ultraääniaaltoja esteiden havaitsemiseen, avaruuteen suuntautumiseen.

Ultraäänilähettimet voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään. Ensimmäinen sisältää emitterit-generaattorit; niissä olevat värähtelyt kiihtyvät, koska jatkuvan virtauksen tiellä on esteitä - kaasu- tai nestesuihku. Toinen emitterien ryhmä - sähköakustiset muuntimet; ne muuttavat jo annetut sähköjännitteen tai -virran vaihtelut kiinteän kappaleen mekaaniseksi värähtelyksi, joka säteilee akustisia aaltoja ympäristöön.

Pilli Galton

Ensimmäisen ultraäänipillin valmisti vuonna 1883 englantilainen Galton. Ultraääni syntyy täällä kuin korkea ääni veitsen terässä, kun ilmavirta osuu siihen. Tällaisen kärjen roolia Galton-pillissä esittää "huuli" pienessä sylinterimäisessä resonanssiontelossa. Onton sylinterin läpi kulkeva korkeapainekaasu osuu tähän "huuliin"; esiintyy värähtelyjä, joiden taajuus (se on noin 170 kHz) määräytyy suuttimen ja huulten koon mukaan. Galton-pillin teho on alhainen. Sitä käytetään pääasiassa komentojen antamiseen koiria ja kissoja koulutettaessa.

Nestemäinen ultraäänipilli

Useimmat ultraäänipillit voidaan mukauttaa toimimaan nestemäisessä väliaineessa. Verrattuna sähköisiin ultraäänilähteisiin nestemäiset ultraäänipillit ovat pienitehoisia, mutta joskus esimerkiksi ultraäänihomogenoinnissa niillä on merkittävä etu. Koska ultraääniaallot syntyvät suoraan nestemäisessä väliaineessa, ultraääniaaltojen energiahäviö ei tapahdu siirtyessä väliaineesta toiseen. Ehkä menestynein on nestemäisen ultraäänipillin suunnittelu, jonka englantilaiset tutkijat Kottel ja Goodman tekivät 1950-luvun alussa. Siinä korkeapaineinen nestevirta poistuu elliptisestä suuttimesta ja suuntautuu teräslevylle. Tämän mallin erilaiset modifikaatiot ovat tulleet melko yleisiksi homogeenisten väliaineiden saamiseksi. Suunnittelunsa yksinkertaisuuden ja vakauden vuoksi (vain värähtelevä levy tuhoutuu) tällaiset järjestelmät ovat kestäviä ja edullisia.

Sireeni

Toinen mekaaninen ultraäänilähde on sireeni. Sillä on suhteellisen suuri teho ja sitä käytetään poliisi- ja paloautoissa. Kaikki pyörivät sireenit koostuvat ylhäältä levyllä (staattorilla) suljetusta kammiosta, johon tehdään suuri määrä reikiä. Kammion - roottorin - sisällä pyörivässä levyssä on sama määrä reikiä. Kun roottori pyörii, siinä olevien reikien sijainti on ajoittain sama kuin staattorin reikien sijainti. Kammioon syötetään jatkuvasti paineilmaa, joka poistuu siitä niinä lyhyinä hetkinä, kun roottorin ja staattorin reiät osuvat kohdakkain.

Sireenien valmistuksen päätehtävä on ensinnäkin tehdä mahdollisimman monta reikää roottoriin ja toiseksi saavuttaa suuri pyörimisnopeus. Molempia vaatimuksia on kuitenkin erittäin vaikea täyttää käytännössä.

Ultraääni luonnossa

Ultraäänen soveltaminen

Ultraäänen diagnostinen käyttö lääketieteessä (ultraääni)

Ultraäänen hyvä leviäminen ihmisen pehmytkudoksissa, sen suhteellinen vaarattomuus röntgensäteisiin verrattuna ja helppokäyttöisyys magneettikuvaukseen verrattuna ovat ultraäänellä laajalti käytössä ihmisen sisäelinten tilan visualisoinnissa, erityisesti vatsaontelossa ja lantion ontelo.

Ultraäänen terapeuttiset sovellukset lääketieteessä

Sen lisäksi, että ultraääntä käytetään laajalti diagnostisiin tarkoituksiin (katso Ultraääni), sitä käytetään lääketieteessä terapeuttisena aineena.

Ultraäänellä on seuraavat vaikutukset:

• anti-inflammatorinen, imukykyinen
• analgeettinen, kouristuksia estävä
• kavitaatio parantaa ihon läpäisevyyttä

Fonoforeesi on yhdistelmämenetelmä, jossa kudoksiin kohdistuu ultraääni ja sen mukana tuotuja lääkeaineita (sekä lääkkeitä että luonnollista alkuperää). Aineiden johtuminen ultraäänen vaikutuksesta johtuu orvaskeden ja ihorauhasten, solukalvojen ja verisuonten seinämien läpäisevyyden lisääntymisestä pienimolekyylisille aineille, erityisesti biskofiittimineraali-ioneille. Lääkkeiden ja luonnonaineiden ultrafonoforeesin mukavuus:

• lääkeaine ei tuhoudu ultraäänellä
• ultraäänen ja terapeuttisen aineen toiminnan synergismi

Indikaatioita bischofiitin ultrafonoforeesiin: nivelrikko, osteokondroosi, niveltulehdus, bursiitti, epikondyliitti, kantapään kannu, tuki- ja liikuntaelimistön vammojen jälkeiset tilat; Neuriitti, neuropatia, radikuliitti, neuralgia, hermovaurio.

Bischofite-geeliä levitetään ja emitterin työpintaa käytetään vaurioalueen mikrohierontaan. Tekniikka on labiili, yleinen ultrafonoforeesissa (nivelten, selkärangan UVF:llä intensiteetti kohdunkaulan alueella on 0,2-0,4 W/cm2, rintakehän ja lannerangan alueella 0,4-0,6 W/cm2).

Metallin leikkaus ultraäänellä

Perinteisissä metallinleikkauskoneissa on mahdotonta porata monimutkaisen muotoista kapeaa reikää metalliosaan, esimerkiksi viisisakaraisen tähden muodossa. Ultraäänen avulla tämä on mahdollista, magnetostriktiivinen vibraattori voi porata minkä tahansa muotoisia reikiä. Ultraäänitalta korvaa täysin jyrsinkoneen. Samanaikaisesti tällainen taltta on paljon yksinkertaisempi kuin jyrsinkone ja metalliosien käsittely on halvempaa ja nopeampaa kuin jyrsinkoneella.

Ultraääni voi jopa leikata kierteisesti metalliosia, lasia, rubiinia, timanttia. Tyypillisesti lanka valmistetaan ensin pehmeästä metallista ja sitten osa karkaistaan. Ultraäänikoneessa kierteet voidaan tehdä jo karkaistusta metallista ja kovimmista seoksista. Sama postimerkkien kanssa. Tyypillisesti leima karkaistaan ​​sen jälkeen, kun se on huolellisesti viimeistelty. Ultraäänikoneessa monimutkaisin käsittely suoritetaan hioma-aineella (hioma, korundijauhe) ultraääniaallon alueella. Ultraäänen alalla jatkuvasti värähtelevät kiinteät jauhehiukkaset leikkaavat prosessoitavaan metalliseokseen ja leikkaavat samanmuotoisen reiän kuin taltta.

Seosten valmistus ultraäänellä

Ultraääntä käytetään laajalti homogeenisten seosten valmistukseen (homogenointi). Jo vuonna 1927 amerikkalaiset tutkijat Limus ja Wood havaitsivat, että jos kaksi sekoittumatonta nestettä (esimerkiksi öljy ja vesi) kaadetaan yhteen dekantterilasiin ja altistetaan ultraäänisäteilytykselle, dekantterilasiin muodostuu emulsio, eli hienojakoinen suspensio. öljy vedessä. Tällaisilla emulsioilla on tärkeä rooli teollisuudessa: näitä ovat lakat, maalit, lääketuotteet ja kosmetiikka.

Ultraäänen käyttö biologiassa

Ultraäänen kyky murtaa solukalvoja on löytänyt käyttöä biologisessa tutkimuksessa, esimerkiksi tarvittaessa erottaa solu entsyymeistä. Ultraääntä käytetään myös solunsisäisten rakenteiden, kuten mitokondrioiden ja kloroplastien, tuhoamiseen niiden rakenteen ja toiminnan välisen suhteen tutkimiseksi. Toinen ultraäänen sovellus biologiassa liittyy sen kykyyn aiheuttaa mutaatioita. Oxfordissa tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että jopa matalan intensiteetin ultraääni voi vahingoittaa DNA-molekyyliä. Keinotekoisella tarkoituksenmukaisella mutaatioiden luomisella on tärkeä rooli kasvinjalostuksessa. Ultraäänen tärkein etu muihin mutageeneihin (röntgensäteet, ultraviolettisäteet) verrattuna on, että sen kanssa on erittäin helppo työskennellä.

Ultraäänen käyttö puhdistukseen

Ultraäänen käyttö mekaanisessa puhdistuksessa perustuu erilaisten epälineaaristen vaikutusten esiintymiseen nesteessä sen vaikutuksen alaisena. Näitä ovat kavitaatio, akustiset virrat, äänenpaine. Pääroolissa on kavitaatio. Sen kuplat, jotka syntyvät ja romahtavat lähellä saastumista, tuhoavat ne. Tämä vaikutus tunnetaan nimellä kavitaatioeroosio. Näihin tarkoituksiin käytetyllä ultraäänellä on matalat taajuudet ja lisääntynyt teho.

Laboratorio- ja tuotanto-olosuhteissa ultraäänikylpyjä, jotka on täytetty liuottimella (vesi, alkoholi jne.), käytetään pienten osien ja ruokailuvälineiden pesuun. Joskus heidän avullaan jopa juurikasvit (perunat, porkkanat, punajuuret jne.) pestään maapartikkeleista.

Ultraäänen käyttö virtausmittauksessa

Viime vuosisadan 60-luvulta lähtien ultraäänivirtausmittareita on käytetty teollisuudessa virtauksen säätämiseen ja veden ja jäähdytysnesteen laskemiseen.

Ultraäänen käyttö vikojen havaitsemisessa

Ultraääni leviää hyvin joissakin materiaaleissa, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää näistä materiaaleista valmistettujen tuotteiden ultraäänivirheiden havaitsemiseen. Äskettäin on kehitetty ultraäänimikroskopian suuntaus, joka mahdollistaa materiaalin pintakerroksen tutkimisen hyvällä resoluutiolla.

ultraäänihitsaus

Ultraäänihitsaus - painehitsaus, joka suoritetaan ultraäänivärähtelyjen vaikutuksesta. Tämän tyyppistä hitsausta käytetään vaikeasti lämmitettävien osien liittämiseen tai kun yhdistetään erilaisia ​​metalleja tai metalleja vahvoilla oksidikalvoilla (alumiini, ruostumattomat teräkset, permalloy-magneettiytimet jne.). Tätä käytetään integroitujen piirien valmistuksessa.

Venäjän työsuojelun tietosanakirja

Elastiset aallot, joiden taajuudet ovat n. (1,5 2) 104 Hz (15 20 kHz) - 109 Hz (1 GHz); kutsutaan taajuusaluetta U. 109 - 1012 1013 Hz. hypersonic. Taajuusalue U. on kätevästi jaettu kolmeen alueeseen: U. matalat taajuudet (1,5 104 105 Hz), U. ... ... Fyysinen tietosanakirja

ULTRAÄÄNI, ihmiskorville kuulumattomia elastisia aaltoja, joiden taajuudet ylittävät 20 kHz. Ultraääni sisältyy tuulen ja meren meluun, useat eläimet (lepakot, delfiinit, kalat, hyönteiset jne.) lähettävät ja havaitsevat sen, on läsnä melussa ... ... Nykyaikainen tietosanakirja

Elastiset aallot, joita ihmiskorva ei kuule ja joiden taajuudet ylittävät 20 kHz. Ultraääni sisältyy tuulen ja meren meluun, useat eläimet (lepakot, kalat, hyönteiset jne.) lähettävät ja havaitsevat sen, on läsnä autojen melussa. Käytetty…… Suuri Ensyklopedinen sanakirja

Elastiset aallot, joiden värähtelytaajuus on 20 kHz - 1 GHz. Ultraäänen tärkeimmät käyttöalueet ovat kaikuluotain, kaikuluotain, navigointi, aseet, syvänmeren tutkimus jne. EdwART. Selittävä Naval Dictionary, 2010 ... Marine Dictionary

Ultraääni- elastiset värähtelyt ja aallot, joiden taajuudet ovat ihmisen kuuloalueen yläpuolella ...

2000-luku on radioelektroniikan, atomin, avaruustutkimuksen ja ultraäänen vuosisata. Ultraäänitiede on nykyään suhteellisen nuori. 1800-luvun lopulla venäläinen fysiologi P. N. Lebedev suoritti ensimmäiset tutkimuksensa. Sen jälkeen monet merkittävät tiedemiehet alkoivat tutkia ultraääntä.

Mikä on ultraääni?

Ultraääni on etenevä aaltoileva värähtelevä liike, jonka väliaineen hiukkaset tekevät. Sillä on omat ominaisuutensa, joissa se eroaa kuuloalueen äänistä. Ultraäänialueella on suhteellisen helppoa saada suunnattua säteilyä. Lisäksi se on hyvin fokusoitu, ja tämän seurauksena tehtyjen värähtelyjen voimakkuus kasvaa. Kiinteissä aineissa, nesteissä ja kaasuissa leviäessään ultraääni synnyttää mielenkiintoisia ilmiöitä, jotka ovat löytäneet käytännön käyttöä monilla tekniikan ja tieteen aloilla. Tätä on ultraääni, jonka rooli elämän eri aloilla on nykyään erittäin suuri.

Ultraäänen rooli tieteessä ja käytännössä

Viime vuosina ultraäänellä on alkanut olla yhä tärkeämpi rooli tieteellisessä tutkimuksessa. Kokeelliset ja teoreettiset tutkimukset akustisten virtausten ja ultraäänikavitaation alalla suoritettiin onnistuneesti, mikä antoi tutkijoille mahdollisuuden kehittää teknologisia prosesseja, jotka tapahtuvat, kun ne altistetaan ultraäänelle nestefaasissa. Se on tehokas menetelmä tutkia erilaisia ​​ilmiöitä sellaisella tiedon alalla kuin fysiikka. Ultraääntä käytetään esimerkiksi puolijohde- ja puolijohdefysiikassa. Nykyään muodostuu erillinen kemian haara, nimeltään "ultraäänikemia". Sen käyttö mahdollistaa monien kemiallisteknologisten prosessien nopeuttamisen. Syntyi myös molekyyliakustiikka - uusi osio akustiikkaa, joka tutkii molekyylien vuorovaikutusta aineen kanssa Uusia ultraäänen käyttöalueita ilmaantui: holografia, introskopia, akustoelektroniikka, ultraäänifaasimittaus, kvanttiakustiikka.

Kokeellisen ja teoreettisen työskentelyn lisäksi tällä alalla on nykyään tehty paljon käytännön työtä. Erikois- ja yleiskäyttöisiä ultraäänikoneita, kohonneessa staattisessa paineessa toimivia asennuksia on kehitetty jne. Tuotantolinjoihin sisältyvät automaattiset ultraäänilaitteistot on otettu tuotantoon, mikä voi merkittävästi lisätä työn tuottavuutta.

Lisää ultraäänestä

Puhutaanpa lisää siitä, mitä ultraääni on. Olemme jo sanoneet, että nämä ovat elastisia aaltoja ja ultraääni on yli 15-20 kHz. Kuulomme subjektiiviset ominaisuudet määräävät ultraäänitaajuuksien alarajan, joka erottaa sen kuultavan äänen taajuudesta. Tämä raja on siis ehdollinen, ja jokainen meistä määrittelee eri tavalla, mitä ultraääni on. Yläraja ilmaistaan ​​elastisilla aalloilla, niiden fyysisellä luonteella. Ne leviävät vain aineellisessa väliaineessa, eli aallonpituuden tulee olla huomattavasti suurempi kuin kaasussa olevien molekyylien keskimääräinen vapaa reitti tai atomien väliset etäisyydet kiinteissä aineissa ja nesteissä. Kaasujen normaalipaineessa ultraäänitaajuuksien yläraja on 10 9 Hz ja kiinteissä aineissa ja nesteissä - 10 12 -10 13 Hz.

Ultraäänen lähteet

Ultraääntä esiintyy luonnossa sekä monien luonnonäänien osana (vesiputous, tuuli, sade, surffauksen pyörittämät kivet, samoin kuin ukkosmyrskyjen mukana tulevissa äänissä jne.) että kiinteänä osana eläinmaailmaa. Jotkut eläinlajit käyttävät sitä avaruudessa suuntautumiseen, esteiden havaitsemiseen. Tiedetään myös, että delfiinit käyttävät ultraääntä luonnossa (lähinnä taajuuksia 80-100 kHz). Tässä tapauksessa niiden lähettämien sijaintisignaalien teho voi olla hyvin suuri. Delfiinien tiedetään pystyvän havaitsemaan kalaparvia jopa kilometrin päässä niistä.

Ultraäänen lähettäjät (lähteet) jaetaan kahteen suureen ryhmään. Ensimmäinen on generaattorit, joissa värähtelyt kiihtyvät, koska niissä on esteitä, jotka on asennettu jatkuvan virtauksen tielle - neste- tai kaasusuihku. Toinen ryhmä, johon ultraäänilähteitä voidaan yhdistää, ovat sähköakustiset muuntimet, jotka muuttavat tietyt virran tai sähköisen jännitteen vaihtelut kiinteän kappaleen mekaaniseksi värähtelyksi, joka säteilee akustisia aaltoja ympäristöön.

Ultraäänivastaanottimet

Keski- ja ultraäänivastaanottimissa sähköakustiset muuntimet ovat useimmiten pietsosähköisiä. Ne voivat toistaa vastaanotetun akustisen signaalin muodon, joka esitetään äänenpaineen aikariippuvuutena. Laitteet voivat olla joko laajakaistaisia ​​tai resonoivia riippuen käyttöolosuhteista, joihin ne on tarkoitettu. Lämpövastaanottimia käytetään aikakeskiarvoisten äänikentän ominaisuuksien saamiseksi. Ne ovat termistoreita tai termopareja, jotka on päällystetty ääntä vaimentavalla aineella. Äänenpainetta ja intensiteettiä voidaan arvioida myös optisilla menetelmillä, kuten valon diffraktiolla ultraäänellä.

Missä ultraääntä käytetään?

Sen käyttöalueita on monia, samalla kun käytetään ultraäänen eri ominaisuuksia. Nämä alueet voidaan karkeasti jakaa kolmeen alueeseen. Ensimmäinen niistä liittyy erilaisten tietojen hankkimiseen ultraääniaaltojen avulla. Toinen suunta on sen aktiivinen vaikutus aineeseen. Ja kolmas liittyy signaalien siirtoon ja käsittelyyn. Kussakin tapauksessa käytetään US-kohtaista. Käsittelemme vain muutamia niistä monista aloista, joilla se on löytänyt sovellusta.

Ultraäänipuhdistus

Tällaisen puhdistuksen laatua ei voi verrata muihin menetelmiin. Esimerkiksi osien huuhtelun yhteydessä jopa 80% epäpuhtauksista jää niiden pinnalle, noin 55% - tärinäpuhdistuksessa, noin 20% - manuaalisessa puhdistuksessa ja ultraäänipuhdistuksessa ei jää enempää kuin 0,5% epäpuhtauksista. Yksityiskohdat, joilla on monimutkainen muoto, voidaan puhdistaa hyvin vain ultraäänen avulla. Sen käytön tärkeä etu on korkea tuottavuus sekä alhaiset fyysisen työn kustannukset. Lisäksi kalliit ja syttyvät orgaaniset liuottimet voidaan korvata halvoilla ja turvallisilla vesiliuoksilla, käyttää nestemäistä freonia jne.

Vakava ongelma on ilmansaasteet noen, savun, pölyn, metallioksidien jne. kanssa. Voit käyttää ultraäänimenetelmää ilman ja kaasun puhdistamiseen kaasun ulostuloissa ympäristön kosteudesta ja lämpötilasta riippumatta. Jos ultraäänilähetin sijoitetaan pölynkerrostuskammioon, sen tehokkuus kasvaa satoja kertoja. Mikä on tällaisen puhdistuksen ydin? Ilmassa satunnaisesti liikkuvat pölyhiukkaset törmäävät toisiinsa voimakkaammin ja useammin ultraäänivärähtelyjen vaikutuksesta. Samaan aikaan niiden koko kasvaa, koska ne sulautuvat yhteen. Koagulaatio on hiukkasten laajentumisprosessi. Niiden painotetut ja suurentuneet kasaumat vangitaan erityisillä suodattimilla.

Hauraiden ja superkovien materiaalien koneistus

Jos astut työkappaleen ja ultraääntä käyttävän työkalun työpinnan väliin, hankaavat hiukkaset emitterin toiminnan aikana vaikuttavat tämän osan pintaan. Tässä tapauksessa materiaali tuhotaan ja poistetaan, ja se käsitellään useiden suunnattujen mikrovaikutusten vaikutuksesta. Käsittelyn kinematiikka koostuu pääliikkeestä - leikkauksesta, toisin sanoen työkalun tekemistä pitkittäisvärähtelyistä ja apuliikkeestä - laitteen suorittamasta syöttöliikkeestä.

Ultraäänellä voi tehdä monenlaisia ​​tehtäviä. Hiomarakeiden energianlähde on pitkittäisvärähtely. Ne tuhoavat käsitellyn materiaalin. Syöttöliike (apu) voi olla ympyrämäistä, poikittaista ja pitkittäistä. Ultraäänikäsittelyllä on suuri tarkkuus. Hioma-aineen raekoon mukaan se vaihtelee 50 - 1 mikroniin. Erimuotoisten työkalujen avulla voit tehdä reikien lisäksi monimutkaisia ​​leikkauksia, kaarevia akseleita, kaivertaa, hioa, tehdä matriiseja ja jopa porata timanttia. Hioma-aineena käytetyt materiaalit ovat korundi, timantti, kvartsihiekka, piikivi.

Ultraääni radioelektroniikassa

Tekniikan ultraääntä käytetään usein radioelektroniikan alalla. Tällä alueella on usein tarpeen viivyttää sähköistä signaalia suhteessa johonkin toiseen. Tiedemiehet ovat löytäneet hyvän ratkaisun ehdottamalla ultraääniviivelinjojen (lyhyesti LZ) käyttöä. Niiden toiminta perustuu siihen, että sähköimpulssit muunnetaan ultraääniksi Miten tämä tapahtuu? Tosiasia on, että ultraäänen nopeus on huomattavasti pienempi kuin kehitetty Jänniteimpulssi käänteismuunnoksen jälkeen sähkömekaanisiksi värähtelyiksi viivästyy linjan lähdössä suhteessa tuloimpulssiin.

Pietsosähköisiä ja magnetostriktiivisia muuntimia käytetään muuntamaan sähköinen värähtely mekaaniseksi värähtelyksi ja päinvastoin. LZ, vastaavasti, jaetaan pietsosähköiseen ja magnetostriktiiviseen.

Ultraääni lääketieteessä

Eläviin organismeihin vaikuttamiseen käytetään erilaisia ​​ultraääniä. Lääketieteellisessä käytännössä sen käyttö on nyt erittäin suosittua. Se perustuu vaikutuksiin, joita esiintyy biologisissa kudoksissa, kun ultraääni kulkee niiden läpi. Aallot aiheuttavat vaihtelua väliaineen hiukkasissa, mikä saa aikaan eräänlaisen kudosmikrohieronnan. Ja ultraäänen absorptio johtaa niiden paikalliseen kuumenemiseen. Samaan aikaan biologisissa väliaineissa tapahtuu tiettyjä fysikaalis-kemiallisia muutoksia. Nämä ilmiöt eivät aiheuta peruuttamattomia vahinkoja kohtuullisen äänenvoimakkuuden tapauksessa. Ne parantavat vain aineenvaihduntaa ja edistävät siten niille altistetun kehon elintärkeää toimintaa. Tällaisia ​​ilmiöitä käytetään ultraäänihoidossa.

Ultraääni leikkauksessa

Kavitaatio ja voimakas kuumennus korkealla intensiteetillä johtavat kudosten tuhoutumiseen. Tätä vaikutusta käytetään nykyään leikkauksessa. Kirurgisissa leikkauksissa käytetään fokusoitua ultraääntä, joka mahdollistaa paikallisen tuhoutumisen syvimmissä rakenteissa (esimerkiksi aivoissa) vahingoittamatta ympäröiviä rakenteita. Leikkauksessa käytetään myös ultraäänilaitteita, joissa työpää näyttää viilalta, skalpellilta, neulalta. Niihin kohdistuva tärinä antaa näille laitteille uusia ominaisuuksia. Tarvittava voima vähenee merkittävästi, joten leikkauksen traumatismi vähenee. Lisäksi ilmenee analgeettinen ja hemostaattinen vaikutus. Typällä instrumentilla ultraäänellä tapahtuvaa iskua käytetään tuhoamaan tietyntyyppiset kehossa esiintyneet kasvaimet.

Vaikutus biologisiin kudoksiin suoritetaan mikro-organismien tuhoamiseksi ja sitä käytetään lääkkeiden ja lääketieteellisten instrumenttien sterilointiprosesseissa.

Sisäelinten tutkimus

Pohjimmiltaan puhumme vatsaontelon tutkimuksesta. Tätä tarkoitusta varten käytetään erityistä laitetta. Ultraäänellä voidaan löytää ja tunnistaa erilaisia ​​kudos- ja anatomisia poikkeavuuksia. Tehtävä on usein seuraava: epäillään pahanlaatuista muodostumaa ja se on erotettava hyvänlaatuisesta tai tarttuvasta muodostumasta.

Ultraääni on hyödyllinen maksan tutkimuksessa ja muissa tehtävissä, joihin kuuluu sappitieteiden tukkeumien ja sairauksien havaitseminen sekä sappirakon tutkiminen kivien ja muiden sairauksien havaitsemiseksi siinä. Lisäksi voidaan käyttää maksakirroosin ja muiden diffuusien hyvänlaatuisten maksasairauksien testausta.

Gynekologian alalla, erityisesti munasarjojen ja kohdun analyysissä, ultraäänen käyttö on pitkään ollut pääsuunta, jossa sitä tehdään erityisen menestyksekkäästi. Usein tässä tarvitaan myös hyvänlaatuisten ja pahanlaatuisten muodostumien erottamista, mikä vaatii yleensä parhaan kontrastin ja tilaresoluution. Samanlaiset johtopäätökset voivat olla hyödyllisiä monien muiden sisäelinten tutkimuksessa.

Ultraäänen käyttö hammaslääketieteessä

Ultraääni on löytänyt tiensä myös hammaslääketieteessä, jossa sitä käytetään hammaskiven poistoon. Sen avulla voit poistaa plakin ja kivet nopeasti, verettömästi ja kivuttomasti. Samanaikaisesti suun limakalvo ei vahingoitu, ja ontelon "taskut" desinfioidaan. Kivun sijaan potilas kokee lämmön tunteen.

Jos kappale värähtelee elastisessa väliaineessa nopeammin kuin väliaine ehtii virrata sen ympärillä, se joko puristaa tai harventaa väliainetta liikkeellään. Korkea- ja matalapaineiset kerrokset siroavat värähtelevästä kappaleesta kaikkiin suuntiin ja muodostavat ääniaaltoja. Jos aallon luovan kehon värähtelyt seuraavat toisiaan vähintään 16 kertaa sekunnissa, enintään 18 tuhatta kertaa sekunnissa, niin ihmiskorva kuulee ne.

Taajuuksia 16 - 18000 Hz, jotka ihmisen kuulolaite pystyy havaitsemaan, kutsutaan yleisesti ääneksi, esimerkiksi hyttysen vinkuksi "10 kHz. Mutta ilma, merten syvyydet ja maan sisäosat ovat täynnä ääniä, jotka ovat tämän alueen ala- ja yläpuolella - infra- ja ultraäänet. Luonnossa ultraääni esiintyy monien luonnollisten äänien osana: tuulen, vesiputouksen, sateen, surffauksen pyörittämien merikivien melussa, salamapurkauksissa. Monilla nisäkkäillä, kuten kissoilla ja koirilla, on kyky havaita ultraääntä jopa 100 kHz:n taajuudella, ja lepakoiden, yöllisten hyönteisten ja merieläinten paikannuskyvyt ovat kaikkien tuttuja. Kuulemattomien äänten olemassaolo havaittiin akustiikan kehityksen myötä 1800-luvun lopulla. Samaan aikaan aloitettiin ensimmäiset ultraäänitutkimukset, mutta sen soveltamisen perusta luotiin vasta 1900-luvun ensimmäisellä kolmanneksella.

Ultraäänialueen alarajaa kutsutaan elastiseksi värähtelyksi taajuudella 18 kHz. Ultraäänen ylärajan määrää elastisten aaltojen luonne, jotka voivat levitä vain sillä ehdolla, että aallonpituus on paljon suurempi kuin molekyylien keskimääräinen vapaa reitti (kaasuissa) tai atomien väliset etäisyydet (nesteissä ja kaasuissa). Kaasuissa yläraja on »106 kHz, nesteissä ja kiinteissä aineissa »1010 kHz. Pääsääntöisesti taajuuksia 106 kHz asti kutsutaan ultraääniksi. Korkeampia taajuuksia kutsutaan hyperääniksi.

Ultraääniaallot eivät luonteeltaan poikkea kuuloalueen aalloista ja noudattavat samoja fysikaalisia lakeja. Ultraäänellä on kuitenkin erityispiirteitä, jotka ovat määrittäneet sen laajan käytön tieteessä ja tekniikassa. Tässä ovat tärkeimmät:

• Pieni aallonpituus. Alimmalla ultraäänialueella aallonpituus ei ylitä muutamaa senttimetriä useimmissa välineissä. Lyhyt aallonpituus määrittää ultraääniaaltojen etenemisen säteen luonteen. Lähellä emitteriä ultraääni etenee säteiden muodossa, jotka ovat kooltaan lähellä emitterin kokoa. Väliaineen epähomogeenisuuksiin osuessaan ultraäänisäde käyttäytyy valonsäteenä, kokee heijastuksen, taittumisen, sironnan, mikä mahdollistaa äänikuvien muodostamisen optisesti läpinäkymättömässä materiaalissa käyttämällä puhtaasti optisia tehosteita (tarkennus, diffraktio jne.)
• Pieni värähtelyjakso, joka mahdollistaa ultraäänen lähettämisen pulssien muodossa ja etenevien signaalien tarkan ajallisen valinnan väliaineessa.
• Mahdollisuus saada korkeita värähtelyenergian arvoja pienellä amplitudilla, koska värähtelyjen energia on verrannollinen taajuuden neliöön. Tämä mahdollistaa korkean energiatason ultraäänisäteiden ja -kenttien luomisen ilman suuria laitteita.
• Ultraäänikentässä kehittyy merkittäviä akustisia virtoja. Siksi ultraäänen vaikutukset ympäristöön synnyttävät erityisiä vaikutuksia: fysikaalisia, kemiallisia, biologisia ja lääketieteellisiä. Kuten kavitaatio, ääni-kapillaariefekti, dispersio, emulgointi, kaasunpoisto, desinfiointi, paikallinen lämmitys ja monet muut.
• Ultraääntä ei kuulu eikä se aiheuta epämukavuutta käyttävälle henkilökunnalle.

Ultraäänen historia. Kuka löysi ultraäänen.

Huomio akustiikkaan johtui johtavien valtojen - Englannin ja Ranskan - laivaston tarpeista, koska. akustinen - ainoa signaalityyppi, joka voi kulkea kauas vedessä. Vuonna 1826 Ranskalainen tiedemies Colladon määritti äänen nopeuden vedessä. Colladonin kokeilua pidetään modernin hydroakustiikan syntymänä. Törmäys Genevejärven vedenalaiseen kelloon tapahtui ruudin samanaikaisen syttymisen yhteydessä. Colladon havaitsi ruudin välähdyksen 10 mailin etäisyydeltä. Hän kuuli myös kellon äänen vedenalaisesta kuuloputkesta. Mittaamalla näiden kahden tapahtuman välisen aikavälin Colladon laski äänen nopeuden - 1435 m/s. Ero nykyaikaisiin laskelmiin on vain 3 m/s.

Vuonna 1838 Yhdysvalloissa käytettiin ensimmäistä kertaa ääntä määrittämään merenpohjan profiili lennätinkaapelin asentamiseksi. Äänen lähde, kuten Colladonin kokeessa, oli veden alla soiva kello, ja vastaanottimena olivat suuret kuuloputket, jotka laskeutuivat laivan yli. Kokeen tulokset olivat pettymys. Kellon ääni (kuten itse asiassa ruutipatruunoiden räjähdys vedessä) antoi erittäin heikon kaiun, joka oli lähes kuulumaton muiden meren äänien joukossa. Oli tarpeen mennä korkeampien taajuuksien alueelle, mikä mahdollistaisi suunnattujen äänikeilojen luomisen.

Ensimmäinen ultraäänigeneraattori teki englantilainen vuonna 1883 Francis Galton. Ultraääni luotiin kuin pilli veitsen terälle, jos siihen puhaltaa. Tällaisen pisteen roolia Galtonin pillissä näytteli sylinteri, jolla oli terävät reunat. Sylinterin reunan halkaisijaltaan saman rengasmaisen suuttimen kautta paineenalainen ilma tai muu kaasu juoksi reunaa vasten ja esiintyi suurtaajuisia värähtelyjä. Puhaltamalla pilliin vedyllä oli mahdollista saada värähtelyjä 170 kHz asti.

Vuonna 1880 Pierre ja Jacques Curie teki ratkaisevan löydön ultraäänitekniikalle. Curien veljekset huomasivat, että kun kvartsikiteisiin kohdistetaan painetta, syntyy sähkövaraus, joka on suoraan verrannollinen kiteen voimaan. Tätä ilmiötä on kutsuttu "pietsosähköisyydeksi" kreikan sanasta, joka tarkoittaa "puristaa". Lisäksi he osoittivat käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, joka syntyy, kun kiteeseen kohdistetaan nopeasti muuttuva sähköpotentiaali, joka saa sen värähtelemään. Tästä lähtien oli teknisesti mahdollista valmistaa pienikokoisia ultraäänilähettimiä ja -vastaanottimia.

Titanicin kuolema törmäyksestä jäävuoren kanssa, tarve taistella uutta asetta vastaan ​​- sukellusveneet vaativat ultraäänihydrakustiikan nopeaa kehitystä. Vuonna 1914 ranskalainen fyysikko Paul Langevin Yhdessä lahjakkaan venäläisen emigranttitutkijan Konstantin Vasilievich Shilovskyn kanssa he kehittivät ensin luotain, joka koostuu ultraäänilähettimestä ja hydrofonista - ultraäänivärähtelyjen vastaanottimesta, joka perustuu pietsosähköiseen vaikutukseen. Sonar Langevin - Shilovsky, oli ensimmäinen ultraäänilaite sovelletaan käytännössä. Samaan aikaan venäläinen tiedemies S.Ya.Sokolov kehitti ultraäänivirheiden havaitsemisen perusteet teollisuudessa. Vuonna 1937 saksalainen psykiatri Karl Dussik käytti yhdessä fyysikkoveljensä Friedrichin kanssa ensimmäisen kerran ultraääntä aivokasvainten havaitsemiseen, mutta heidän saamansa tulokset olivat epäluotettavia. Lääketieteellisessä käytännössä ultraääntä käytettiin ensimmäisen kerran vasta 1900-luvun 50-luvulla Yhdysvalloissa.

Ultraäänen vastaanotto.

Ultraäänilähettimet voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään:

1) Värähtelyjä herättävät kaasu- tai nestesuihkun tiellä olevat esteet tai kaasu- tai nestesuihkun katkaiseminen. Niitä käytetään rajoitetusti, pääasiassa voimakkaan ultraäänen saamiseksi kaasumaisessa väliaineessa.

2) Värähtelyt viritetään muuttumalla mekaanisiksi virta- tai jännitevärähtelyiksi. Useimmat ultraäänilaitteet käyttävät tämän ryhmän emittereitä: pietsosähköisiä ja magnetostriktiivisia muuntimia.

Pietsosähköiseen vaikutukseen perustuvien muuntimien lisäksi voimakkaan ultraäänisäteen aikaansaamiseksi käytetään magnetostriktiivisia muuntimia. Magnetostriktio on kappaleiden koon muutos, kun niiden magneettinen tila muuttuu. Johtavaan käämiin sijoitettu magnetostriktiivisesta materiaalista valmistettu sydän muuttaa pituuttaan käämin läpi kulkevan virtasignaalin muodon mukaan. Tämä James Joulen vuonna 1842 löytämä ilmiö on ominaista ferromagneeteille ja ferriiteille. Yleisimmin käytetyt magnetostriktiiviset materiaalit ovat nikkeliin, kobolttiin, rautaan ja alumiiniin perustuvat seokset. Ultraäänisäteilyn korkein intensiteetti voidaan saavuttaa permendur-seoksella (49 % Co, 2 % V, loput Fe), jota käytetään tehokkaissa ultraäänisäteilijöissä. Erityisesti yrityksemme tuottamassa.

Ultraäänen käyttö.

Ultraäänen eri sovellukset voidaan jakaa kolmeen alueeseen:

• saada tietoa aineesta
• vaikutus aineeseen
• signaalinkäsittely ja siirto

Akustisten aaltojen etenemisnopeuden ja vaimenemisen riippuvuutta aineen ominaisuuksista ja niissä tapahtuvista prosesseista käytetään tällaisissa tutkimuksissa:

• kaasujen, nesteiden ja polymeerien molekyyliprosessien tutkimus
• kiteiden ja muiden kiinteiden aineiden rakenteen tutkiminen
• kemiallisten reaktioiden, faasimuutosten, polymeroinnin jne.
• liuospitoisuuden määrittäminen
• lujuusominaisuuksien ja materiaalien koostumuksen määrittäminen
• epäpuhtauksien esiintymisen määrittäminen
• nesteen ja kaasun virtausnopeuden määrittäminen

Tietoa aineen molekyylirakenteesta saadaan mittaamalla siinä olevan äänen nopeus ja absorptiokerroin. Tämä mahdollistaa liuosten ja suspensioiden pitoisuuksien mittaamisen massoissa ja nesteissä, uuton, polymeroinnin, vanhenemisen ja kemiallisten reaktioiden kinetiikan hallinnan. Aineiden koostumuksen ja epäpuhtauksien määrittämisen tarkkuus ultraäänellä on erittäin korkea ja se on prosentin murto-osia.

Äänennopeuden mittaaminen kiinteissä aineissa mahdollistaa rakennemateriaalien kimmo- ja lujuusominaisuuksien määrittämisen. Tällainen epäsuora menetelmä lujuuden määrittämiseksi on kätevä sen yksinkertaisuuden ja mahdollisuuden vuoksi käyttää sitä todellisissa olosuhteissa.

Ultraäänikaasuanalysaattorit tarkkailevat vaarallisten epäpuhtauksien kerääntymistä. Ultraääninopeuden riippuvuutta lämpötilasta käytetään kaasujen ja nesteiden kosketuksettomaan lämpömittaukseen.

Doppler-ilmiöllä toimivat ultraäänivirtausmittarit perustuvat äänen nopeuden mittaamiseen liikkuvissa nesteissä ja kaasuissa, myös epähomogeenisissa (emulsiot, suspensiot, massat). Samanlaista laitetta käytetään veren nopeuden ja virtauksen määrittämiseen kliinisissä tutkimuksissa.

Suuri joukko mittausmenetelmiä perustuu ultraääniaaltojen heijastumiseen ja siroamiseen välineiden välisillä rajoilla. Näiden menetelmien avulla voit paikantaa tarkasti vieraita esineitä ympäristöstä, ja niitä käytetään esimerkiksi seuraavilla alueilla:

• luotain
• rikkomaton testaus ja vikojen havaitseminen
• lääketieteellinen diagnostiikka
• nesteiden ja irtotavara-ainepitoisuuksien määrittäminen suljetuissa säiliöissä
• tuotteen mitoitus
• äänikenttien visualisointi - ääninäkö ja akustinen holografia

Heijastusta, taittumista ja ultraäänen fokusointimahdollisuutta käytetään ultraäänivirheiden havaitsemisessa, ultraääni-akustisissa mikroskoopeissa, lääketieteellisessä diagnostiikassa aineen makroepähomogeenisuuksien tutkimisessa. Epähomogeenisuuksien esiintyminen ja niiden koordinaatit määräytyvät heijastuneiden signaalien tai varjon rakenteen perusteella.

Mittausmenetelmillä, jotka perustuvat resonoivan värähtelyjärjestelmän parametrien riippuvuuteen sitä kuormittavan väliaineen ominaisuuksista (impedanssi), käytetään jatkuvasti nesteiden viskositeetin ja tiheyden mittaamiseen, osien paksuuden mittaamiseen, joihin pääsee käsiksi vain yhdestä. puolella. Sama periaate on ultraäänikovuusmittarien, tasomittarien ja tasomittarien taustalla. Ultraäänitestausmenetelmien edut: lyhyt mittausaika, kyky hallita räjähtäviä, aggressiivisia ja myrkyllisiä aineita, työkalulla ei ole vaikutusta valvottuun ympäristöön ja prosesseihin.

Ultraäänen vaikutus aineeseen.

Ultraäänen vaikutusta aineeseen, joka johtaa peruuttamattomiin muutoksiin siinä, käytetään laajalti teollisuudessa. Samaan aikaan ultraäänen vaikutusmekanismit ovat erilaiset eri medioissa. Kaasuissa pääasiallinen vaikuttava tekijä on akustiset virrat, jotka kiihdyttävät lämmön ja massan siirtoprosesseja. Lisäksi ultraäänisekoituksen tehokkuus on paljon korkeampi kuin perinteisen hydrodynaamisen sekoituksen, koska rajakerroksen paksuus on pienempi ja sen seurauksena suurempi lämpötila- tai pitoisuusgradientti. Tätä vaikutusta käytetään prosesseissa, kuten:

• ultraäänikuivaus
• polttaminen ultraäänikentässä
• aerosolikoagulaatio

Nesteiden ultraäänikäsittelyssä tärkein toimintatekijä on kavitaatio . Seuraavat tekniset prosessit perustuvat kavitaatiovaikutukseen:

• ultraäänipuhdistus
• pinnoitus ja juottaminen
• ääni-kapillaarivaikutus - nesteiden tunkeutuminen pienimpiin huokosiin ja halkeamiin. Sitä käytetään huokoisten materiaalien kyllästämiseen ja se tapahtuu kaikissa nesteiden kiinteiden aineiden ultraäänikäsittelyssä.
• kiteytys
• sähkökemiallisten prosessien tehostaminen
• aerosolien tuotanto
• mikro-organismien tuhoaminen ja instrumenttien ultraäänisterilointi

Akustiset virrat- yksi tärkeimmistä ultraäänen vaikutuksen mekanismeista aineeseen. Se johtuu ultraäänienergian imeytymisestä aineeseen ja rajakerrokseen. Akustiset virtaukset eroavat hydrodynaamisista rajakerroksen pienellä paksuudella ja mahdollisuudella ohentua värähtelytaajuuden kasvaessa. Tämä johtaa lämpötila- tai pitoisuusrajakerroksen paksuuden pienenemiseen ja lämpötila- tai pitoisuusgradienttien kasvuun, jotka määräävät lämmön tai massan siirtymisen nopeuden. Tämä kiihdyttää palamista, kuivaamista, sekoittumista, tislausta, diffuusiota, uuttamista, kyllästämistä, sorptiota, kiteytymistä, liukenemista, nesteiden ja sulatteiden kaasunpoistoa. Korkeaenergisessa virtauksessa akustisen aallon vaikutus tapahtuu itse virtauksen energian vuoksi muuttamalla sen turbulenssia. Tässä tapauksessa akustinen energia voi olla vain murto-osa prosentista virtausenergiasta.

Kun korkean intensiteetin ääniaalto kulkee nesteen läpi, ns akustinen kavitaatio . Voimakkaassa ääniaaltossa harvinaisuuksien puoliintumisjaksojen aikana syntyy kavitaatiokuplia, jotka äkillisesti romahtavat siirtyessään lisääntyneen paineen alueelle. Kavitaatioalueella syntyy voimakkaita hydrodynaamisia häiriöitä mikroshokkiaaltojen ja mikrovirtojen muodossa. Lisäksi kuplien romahtamiseen liittyy aineen voimakas paikallinen kuumeneminen ja kaasun vapautuminen. Tällainen isku johtaa jopa tällaisten kestävien aineiden, kuten teräksen ja kvartsin, tuhoutumiseen. Tätä vaikutusta käytetään kiinteiden aineiden dispergoimiseen, sekoittumattomien nesteiden hienojakoisten emulsioiden saamiseksi, kemiallisten reaktioiden kiihdyttämiseen ja nopeuttamiseen, mikro-organismien tuhoamiseen ja entsyymien uuttamiseen eläin- ja kasvisoluista. Kavitaatio määrittää myös sellaiset vaikutukset kuin nesteen heikko hehku ultraäänen vaikutuksesta - äänen luminesenssi ja nesteen epätavallisen syvä tunkeutuminen kapillaareihin - äänen kapillaariefekti .

Kalsiumkarbonaattikiteiden kavitaatiodispersio (skaala) on akustisten hilseilylaitteiden taustalla. Ultraäänen vaikutuksesta vedessä olevat hiukkaset halkeavat, niiden keskikoko pienenee 10:stä 1 mikroniin, lukumäärä ja hiukkasten kokonaispinta-ala kasvavat. Tämä johtaa kalkin muodostumisprosessin siirtymiseen lämmönvaihtopinnalta suoraan nesteeseen. Ultraääni vaikuttaa myös muodostuneeseen hilsekerrokseen muodostaen siihen mikrohalkeamia, jotka myötävaikuttavat hilsepalojen irtoamiseen lämmönvaihtopinnalta.

Ultraäänipuhdistuslaitoksissa kavitaatio ja sen synnyttämät mikrovirrat poistavat sekä pintaan jäykästi sitoutuneet epäpuhtaudet, kuten hilsettä, hilsettä, purseet, että pehmeät epäpuhtaudet, kuten rasvaiset kalvot, lian jne. Samaa vaikutusta käytetään elektrolyyttisten prosessien tehostamiseen.

Ultraäänen vaikutuksesta syntyy sellainen utelias vaikutus akustisena koaguloitumisena, ts. nesteen ja kaasun suspendoituneiden hiukkasten lähentyminen ja suurentuminen. Tämän ilmiön fyysinen mekanismi ei ole vielä täysin selvä. Akustista koagulaatiota käytetään teollisuuden pölyjen, savujen ja sumujen saostukseen matalilla taajuuksilla ultraäänelle 20 kHz asti. On mahdollista, että kirkonkellojen soittamisen hyödyllinen vaikutus perustuu tähän vaikutukseen.

Kiinteiden aineiden koneistus ultraäänellä perustuu seuraaviin vaikutuksiin:

• pintojen välisen kitkan vähentäminen yhden niistä ultraäänivärähtelyjen aikana
• myötörajan lasku tai plastinen muodonmuutos ultraäänen vaikutuksesta
• karkaisu ja metallien jäännösjännitysten vähentäminen työkalun vaikutuksesta ultraäänitaajuudella
• Ultraäänihitsauksessa käytetään staattisen puristuksen ja ultraäänivärähtelyn yhteisvaikutusta

Ultraäänellä on neljä koneistustyyppiä:

• kovista ja hauraista materiaaleista valmistettujen osien mittaprosessointi
• vaikeasti leikattavien materiaalien leikkaaminen ultraäänellä kohdistamalla leikkaustyökaluun
• purseenpoisto ultraäänihauteessa
• viskoosien materiaalien hionta hiomalaikan ultraäänipuhdistuksella

Ultraäänen vaikutukset biologisiin kohteisiin aiheuttaa erilaisia ​​vaikutuksia ja reaktioita kehon kudoksissa, jota käytetään laajasti ultraäänihoidossa ja -kirurgiassa. Ultraääni on katalysaattori, joka nopeuttaa tasapainon muodostumista kehon fysiologian, tilan kannalta, ts. terve tila. Ultraäänellä on paljon suurempi vaikutus sairaisiin kudoksiin kuin terveisiin. Käytetään myös lääkkeiden ultraäänisumutusta inhalaation aikana. Ultraäänikirurgia perustuu seuraaviin vaikutuksiin: kudosten tuhoutuminen itse fokusoidulla ultraäänellä ja ultraäänivärähtelyjen kohdistaminen leikkauskirurgiseen instrumenttiin.

Ultraäänilaitteita käytetään elektronisten signaalien muuntamiseen ja analogisointiin sekä valosignaalien ohjaukseen optiikassa ja optoelektroniikassa. Hidas ultraääntä käytetään viivelinjoissa. Optisten signaalien ohjaus perustuu valon diffraktioon ultraäänellä. Yksi tällaisen diffraktion tyypeistä, ns. Bragg-diffraktio, riippuu ultraäänen aallonpituudesta, mikä mahdollistaa kapea taajuusvälin eristämisen laajasta valosäteilyspektristä, ts. suodatinvalo.

Ultraääni on äärimmäisen mielenkiintoinen asia ja voidaan olettaa, että monet sen käytännön soveltamismahdollisuudet eivät ole vielä ihmiskunnan tiedossa. Rakastamme ja tunnemme ultraääntä ja keskustelemme mielellämme kaikista sen soveltamiseen liittyvistä ideoista.

Missä ultraääntä käytetään - yhteenvetotaulukko

Yrityksemme Koltso-Energo LLC valmistaa ja asentaa Acoustic-T akustisia kalkinpoistolaitteita. Yrityksemme valmistamat laitteet erottuvat poikkeuksellisen korkeasta ultraäänisignaalista, jonka ansiosta ne voivat työskennellä kattiloissa ilman vedenkäsittelyä ja höyryvesikattiloissa arteesisella vedellä. Mutta kalkkikiven ehkäisy on vain hyvin pieni osa siitä, mitä ultraääni voi tehdä. Tällä upealla luonnollisella työkalulla on valtavia mahdollisuuksia, ja haluamme kertoa niistä sinulle. Yrityksemme työntekijät ovat työskennelleet useiden vuosien ajan Venäjän johtavissa akustiikka-alan yrityksissä. Tiedämme ultraäänestä paljon. Ja jos yhtäkkiä on tarve käyttää ultraääntä tekniikassasi,

Riisi. 2. Akustinen virtaus, joka syntyy ultraäänen etenemisestä taajuudella 5 MHz bentseenissä.

Tärkeitä epälineaarisia ilmiöitä, joita syntyy voimakkaan ultraäänen leviämisen aikana akustisessa kentässä, on kuplien kasvu ultraäänikentässä olemassa olevista submikroskooppisista kaasun tai höyryn ytimistä millimetrin murto-osien kokoisiksi, jotka alkavat sykkiä ultraääni ja romahtaminen positiivisessa vaiheessa. Kaasukuplien romahtaessa syntyy suuria, tuhansien ilmakehän luokkaa olevia paikallisia paineita ja muodostuu pallomaisia ​​shokkiaaltoja. Sykkivien kuplien lähelle muodostuu akustisia mikrovirtoja. Kavitaatiokentässä esiintyvät ilmiöt johtavat useisiin hyödyllisiin (saastuneiden osien saaminen, puhdistaminen jne.) ja haitallisiin (ultraäänisäteilijöiden eroosio) ilmiöihin. Taajuudet Ultraääni, jolla ultraääntä käytetään teknologisiin tarkoituksiin, sijaitsee ULF-alueella. Kavitaatiokynnystä vastaava intensiteetti riippuu nestetyypistä, äänen taajuudesta, lämpötilasta ja muista tekijöistä. Vedessä taajuudella 20 kHz se on noin 0,3 W / cm 2. UHF-taajuuksilla ultraäänikentässä, jonka intensiteetti on useita W/cm2, saattaa esiintyä nesteen roiskumista ( riisi. 3) ja ruiskuttamalla sitä erittäin hienolla sumulla.

Riisi. 3. Nestesuihkulähde, joka muodostuu, kun ultraäänisäde putoaa nesteen sisältä sen pinnalle (ultraäänitaajuus 1,5 MHz, intensiteetti 15 W/cm2).

Sukupolviultraääni. Ultraäänien tuottamiseen käytetään erilaisia ​​laitteita, jotka voidaan jakaa kahteen pääryhmään - mekaanisiin, joissa Ultraääni on mekaaninen kaasuvirtaus tai ja sähkömekaaninen, jossa ultraäänienergia saadaan sähköisesti. Mekaaniset emitterit Ultraääni - ilma ja neste - ovat suhteellisen yksinkertaisia ​​eivätkä vaadi kallista suurtaajuista sähköenergiaa, niiden hyötysuhde on 10-20%. Kaikkien mekaanisten ultraäänilähettimien suurin haittapuoli on suhteellisen laaja lähetettyjen taajuuksien alue ja taajuuden epävakaus, mikä ei salli niiden käyttöä ohjaus- ja mittaustarkoituksiin; niitä käytetään pääasiassa teollisessa ultraäänessä ja osittain välineinä.

Riisi. 4. Pitkittäisaaltojen L säteily (vastaanotto) levyllä, joka värähtelee paksuudeltaan kiinteäksi kappaleeksi: 1 - kvartsilevyleikkaus X, jonka paksuus on l / 2, missä l on aallonpituus kvartsissa; 2 - metallielektrodit; 3 - neste (muuntajaöljy) akustiseen kosketukseen; 4 - sähköisten värähtelyjen generaattori; 5 - kiinteä runko.

Ultraäänen vastaanotto ja havaitseminen. Pietsosähköisen vaikutuksen palautuvuuden vuoksi sitä käytetään laajalti myös ultraäänen vastaanottoon Ultraäänikenttiä voidaan tutkia myös optisilla menetelmillä: Ultraääni, joka etenee missä tahansa väliaineessa, aiheuttaa muutoksen optisessa taitekerroimessaan, jonka vuoksi se voi olla visualisoidaan, jos väliaine on valoa läpinäkyvä. Viereinen optiikka-ala (akustooptiikka) on kehittynyt suuresti jatkuvan aallon kaasulaserien tulon jälkeen; tutkimusta on kehitetty ultraäänen valosta ja sen erilaisista sovelluksista.

Ultraäänen sovellukset. Ultraäänen sovellukset ovat erittäin monipuolisia. Ultraääni on tehokas menetelmä erilaisten ilmiöiden tutkimiseen monilla fysiikan alueilla. Ultraäänimenetelmiä käytetään esimerkiksi kiinteän olomuodon fysiikassa ja fysiikassa; on syntynyt kokonaan uusi fysiikan ala - akustoelektroniikka, jonka saavutusten pohjalta kehitetään erilaisia ​​signaaliinformaation käsittelylaitteita. Ultraäänellä on iso rooli oppimisessa. Kiinteiden aineiden tutkimisessa käytetään kaasujen ja kaasujen molekyyliakustiikan menetelmien ohella c:tä ja absorptiota a määrittämään aineen modulit ja dissipatiiviset ominaisuudet. On kehitetty kvanttiteoria, joka tutkii kimmoisten häiriöiden kvanttien vuorovaikutusta kiinteiden aineiden kanssa - jne. ja alkeishäiriöiden kanssa. Ultraääntä käytetään laajasti tekniikassa, ja ultraäänimenetelmät tunkeutuvat yhä enemmän ja.

Ultraäänen soveltaminen tekniikassa Kohtien c ja a mukaan se suoritetaan monissa teknisissä ongelmissa tietyn prosessin virtaukselle (kaasuseoksen ohjaus, erilaisten koostumus jne.). Ultraääniä käyttämällä eri välineiden rajalla ultraäänilaitteet on suunniteltu mittaamaan tuotteiden mittoja (esimerkiksi ultraäänipaksuusmittarit) ja määrittämään nesteen taso suurissa säiliöissä, joihin ei pääse suoraan mittaamaan. Suhteellisen alhaisen intensiteetin ultraääntä (jopa ~0,1 W/cm2) käytetään laajalti kiinteistä materiaaleista valmistettujen tuotteiden (kiskot, suuret valukappaleet, korkealaatuiset valssatut tuotteet jne.) ainetta rikkomattomaan testaukseen (katso). Nopeasti kehittyy suunta, jota kutsutaan akustiseksi emissioksi, joka koostuu siitä, että kun mekaaninen kiinteä kappale asetetaan näytteeseen (rakenteeseen), se "halkeaa" (samalla tavalla kuin tinatanko "rätisee" taivutettaessa). Tämä selittyy sillä, että näytteessä tapahtuu liikettä, joka tietyissä olosuhteissa (ei vielä täysin selvitetty) muuttuu (sekä joukko dislokaatioita ja submikroskooppisia halkeamia) akustisia pulsseja, joiden spektri sisältää taajuuksia Ultraääni Avulla akustisen emission avulla voidaan havaita ja kehittyä halkeama sekä määrittää sen sijainti erilaisten rakenteiden kriittisissä osissa. Ultraäänen avulla se toteutetaan: muuttamalla ultraääni sähköiseksi ja jälkimmäinen valoksi, käy ilmi, että ultraäänen avulla on mahdollista nähdä tiettyjä esineitä valolle läpäisemättömässä väliaineessa. Ultraäänitaajuuksilla on luotu ultraäänimikroskooppi - tavanomaisen mikroskoopin kaltainen laite, jonka etuna optiseen verrattuna on, että biologiset tutkimukset eivät vaadi esineen alustavaa värjäystä ( riisi. 5). Kehitys on johtanut jonkin verran menestystä ultraäänen alalla.

Riisi. 5 B. Punasolut saatu ultraäänimikroskoopilla.