USG………………………………………………………………….4

Ultradźwięki jako fale sprężyste……………………………………..4

Specyfika ultradźwięków............................................5

Źródła i odbiorniki ultradźwięków………………………………………..7

Emitery mechaniczne...........................................................................7

Przetworniki elektroakustyczne…………………………….9

Odbiorniki ultradźwięków…………………………………………..11

Wykorzystanie ultradźwięków……………………………….11

Czyszczenie ultradźwiękowe...........................................................................................11

Obróbka materiałów supertwardych i kruchych

materiały………………………………………………………………13

Zgrzewanie ultradźwiękowe………………………………………………….14

Lutowanie ultradźwiękowe i cynowanie............................................14

Przyspieszenie procesów produkcyjnych………………..…………15

Defektoskopia ultradźwiękowa…………………………..…………15

Ultradźwięki w elektronice radiowej………………………..……………17

Ultradźwięki w medycynie……………………………………………..18

Literatura……………………..………………..19

prowadzenie.

Wiek XXI to wiek atomu, podboju kosmosu, radioelektroniki i ultradźwięków. Nauka o ultradźwiękach jest stosunkowo młoda. Pierwsze prace laboratoryjne nad badaniem ultradźwięków przeprowadził wielki rosyjski fizyk P. N. Lebiediew pod koniec XIX wieku, a następnie ultradźwiękami zajmowało się wielu wybitnych naukowców.

Ultradźwięki to falowy ruch oscylacyjny cząstek średnich. Ultradźwięki mają pewne cechy w porównaniu z dźwiękami zakresu słyszalnego. W zakresie ultradźwiękowym stosunkowo łatwo jest uzyskać promieniowanie kierunkowe; dobrze nadaje się do ogniskowania, w wyniku czego wzrasta intensywność drgań ultradźwiękowych. Rozchodząc się w gazach, cieczach i ciałach stałych ultradźwięki generują ciekawe zjawiska, z których wiele znalazło praktyczne zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i techniki.

W ostatnich latach ultradźwięki zaczęły odgrywać coraz ważniejszą rolę w badaniach naukowych. Z powodzeniem przeprowadzono badania teoretyczne i eksperymentalne w zakresie kawitacji ultradźwiękowej i przepływów akustycznych, co umożliwiło opracowanie nowych procesów technologicznych zachodzących pod działaniem ultradźwięków w fazie ciekłej. Obecnie kształtuje się nowy kierunek w chemii - chemia ultradźwiękowa, która pozwala na przyspieszenie wielu procesów chemicznych i technologicznych. Badania naukowe przyczyniły się do powstania nowej sekcji akustyki - akustyki molekularnej, która bada molekularne oddziaływanie fal dźwiękowych z materią. Pojawiły się nowe obszary zastosowań ultradźwięków: introskopia, holografia, akustyka kwantowa, ultradźwiękowy pomiar fazy, akustoelektronika.

Wraz z badaniami teoretycznymi i eksperymentalnymi w dziedzinie ultradźwięków wykonano wiele prac praktycznych. Opracowano uniwersalne i specjalne maszyny ultradźwiękowe, instalacje pracujące w podwyższonym ciśnieniu statycznym, ultradźwiękowe zmechanizowane instalacje do czyszczenia części, generatory o zwiększonej częstotliwości i nowy układ chłodzenia, przetworniki o równomiernie rozłożonym polu. Stworzono i wdrożono do produkcji automatyczne instalacje ultradźwiękowe, które wchodzą w skład linii produkcyjnych, co pozwala na znaczne zwiększenie wydajności pracy.

ultradźwięk.

Ultradźwięki (USA) - sprężyste wibracje i fale, których częstotliwość przekracza 15 - 20 kHz. Dolna granica obszaru częstotliwości ultradźwięków, która oddziela go od obszaru dźwięku słyszalnego, jest określona przez subiektywne właściwości ludzkiego słuchu i jest warunkowa, ponieważ górna granica percepcji słuchowej jest inna dla każdej osoby. Górna granica częstotliwości ultradźwiękowych wynika z fizycznej natury fal sprężystych, które mogą rozchodzić się tylko w ośrodku materialnym, tj. pod warunkiem, że długość fali jest znacznie większa niż średnia droga swobodna cząsteczek w gazie lub odległości międzyatomowe w cieczach i ciałach stałych. W gazach pod ciśnieniem normalnym górna granica częstotliwości ultradźwięków wynosi » 10 9 Hz, w cieczach i ciałach stałych częstotliwość graniczna sięga 10 12 -10 13 Hz. W zależności od długości fali i częstotliwości ultradźwięki mają różne specyficzne cechy promieniowania, odbioru, propagacji i zastosowania, dlatego obszar częstotliwości ultradźwięków dzieli się na trzy obszary:

· niskie częstotliwości ultradźwiękowe (1,5×10 4 - 10 5 Hz);

średni (10 5 - 10 7 Hz);

wysoka (10 7 - 10 9 Hz).

Fale sprężyste o częstotliwościach 10 9 - 10 13 Hz są zwykle nazywane hiperdźwiękami.

Ultradźwięki jako fale sprężyste.

Fale ultradźwiękowe (dźwięk niesłyszalny) ze swej natury nie różnią się w zakresie słyszalnym od fal sprężystych. Rozmnaża się tylko w gazach i cieczach wzdłużny fale, a w ciałach stałych - wzdłużne i poprzeczne s.

Rozchodzenie się ultradźwięków podlega podstawowym prawom wspólnym dla fal akustycznych o dowolnym zakresie częstotliwości. Podstawowe prawa dystrybucji to prawa odbicia i załamania dźwięku na granicach różnych ośrodków, dyfrakcja i rozpraszanie dźwięku w obecności przeszkód i niejednorodności w ośrodku oraz nieregularności na granicach, prawa propagacji falowodu w ograniczonych obszarach środowiska. Ważną rolę odgrywa stosunek długości fali dźwięku l do wymiaru geometrycznego D, czyli wielkości źródła dźwięku lub przeszkody na drodze fali oraz wielkości niejednorodności ośrodka. Gdy D>>l rozchodzenie się dźwięku w pobliżu przeszkód odbywa się głównie zgodnie z prawami akustyki geometrycznej (można wykorzystać prawa odbicia i załamania). Stopień odchylenia od geometrycznego wzoru propagacji i konieczność uwzględnienia zjawisk dyfrakcyjnych określa parametr

, gdzie r jest odległością od punktu obserwacyjnego do obiektu powodującego dyfrakcję.

Szybkość propagacji fal ultradźwiękowych w nieograniczonym ośrodku zależy od charakterystyki sprężystości i gęstości ośrodka. W ośrodkach ograniczonych na prędkość propagacji fali wpływa obecność i charakter granic, co prowadzi do częstotliwościowej zależności prędkości (dyspersja prędkości dźwięku). Spadek amplitudy i natężenia fali ultradźwiękowej podczas jej rozchodzenia się w danym kierunku, czyli tłumienie dźwięku, jest spowodowany, podobnie jak w przypadku fal o dowolnej częstotliwości, rozbieżnością czoła fali z odległością od źródła, rozpraszanie i pochłanianie dźwięku. We wszystkich częstotliwościach, zarówno słyszalnych, jak i niesłyszalnych, występuje tzw. absorpcja „klasyczna”, spowodowana lepkością ścinającą (tarciem wewnętrznym) ośrodka. Do tego dochodzi dodatkowe (relaksacyjne) pochłanianie, które często znacznie przewyższa wchłanianie „klasyczne”.

Przy znacznym natężeniu fal dźwiękowych pojawiają się efekty nieliniowe:

naruszana jest zasada superpozycji i dochodzi do interakcji fal, co prowadzi do pojawienia się tonów;

· zmienia się kształt fali, jej widmo jest wzbogacane o wyższe harmoniczne i odpowiednio wzrasta absorpcja;

· po osiągnięciu określonej wartości progowej natężenia ultradźwięków w cieczy występuje kawitacja (patrz poniżej).

Kryterium stosowalności praw akustyki liniowej i możliwości zaniedbania efektów nieliniowych jest: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Parametr M nazywany jest „liczbą Macha”.

specyficzne właściwości ultradźwięków

Chociaż natura fizyczna ultradźwięków i podstawowe prawa określające ich rozchodzenie się są takie same jak dla fal dźwiękowych o dowolnym zakresie częstotliwości, ma ono szereg specyficznych cech. Cechy te wynikają ze stosunkowo wysokich częstotliwości US.

Mała długość fali określa charakter promienia propagacja fal ultradźwiękowych. W pobliżu emitera fale rozchodzą się w postaci wiązek, których rozmiar poprzeczny pozostaje zbliżony do rozmiaru emitera. Kiedy taka wiązka (wiązka US) uderza w duże przeszkody, ulega odbiciu i załamaniu. Kiedy wiązka uderza w małe przeszkody, powstaje fala rozproszona, która umożliwia wykrycie niewielkich niejednorodności w ośrodku (rzędu dziesiątych i setnych części mm). Odbicie i rozproszenie ultradźwięków na niejednorodnościach ośrodka umożliwia tworzenie się w ośrodkach optycznie nieprzezroczystych obrazy dźwiękowe obiekty za pomocą systemów ogniskowania dźwięku, podobnie jak to się robi z wiązkami światła.

Skupianie ultradźwięków pozwala nie tylko na uzyskiwanie obrazów dźwiękowych (systemy obrazowania dźwiękowego i holografii akustycznej), ale także skupiać się energia Dźwięku. Za pomocą ultradźwiękowych systemów ogniskowania możliwe jest formowanie z góry określonych charakterystyki kierunkowe emiterów i zarządzać nimi.

Okresowa zmiana współczynnika załamania światła, związana ze zmianą gęstości fali ultradźwiękowej, powoduje dyfrakcja światła za pomocą ultradźwięków obserwowane na częstotliwościach amerykańskich w zakresie megaherców-gigaherców. W tym przypadku falę ultradźwiękową można uznać za siatkę dyfrakcyjną.

Najważniejszym efektem nieliniowym w polu ultradźwiękowym jest kawitacja- pojawienie się w cieczy masy pulsujących pęcherzyków wypełnionych parą, gazem lub ich mieszaniną. Złożony ruch bąbelków, ich zapadanie się, łączenie ze sobą itp. generują impulsy sprężania (fale mikrowstrząsowe) i mikroprzepływy w cieczy, powodują miejscowe podgrzanie ośrodka, jonizację. Efekty te wpływają na substancję: następuje zniszczenie ciał stałych w cieczy ( erozja kawitacyjna), następuje mieszanie się płynów, inicjowane lub przyspieszane są różne procesy fizyczne i chemiczne. Zmieniając warunki kawitacji można wzmacniać lub osłabiać różne efekty kawitacji, np. wraz ze wzrostem częstotliwości ultradźwięków zwiększa się rola mikroprzepływów i maleje erozja kawitacyjna, wraz ze wzrostem ciśnienia w cieczy, wzrasta rola mikrouderzeń. Wzrost częstotliwości prowadzi do wzrostu natężenia progowego odpowiadającego początkowi kawitacji, który zależy od rodzaju cieczy, zawartości gazu, temperatury itp. Dla wody o ciśnieniu atmosferycznym wynosi zwykle 0,3–1,0 W/cm 2. Kawitacja to złożony zespół zjawisk. Fale ultradźwiękowe rozchodzące się w cieczy tworzą naprzemienne obszary wysokiego i niskiego ciśnienia, tworząc strefy wysokiego sprężenia i strefy rozrzedzenia. W strefie rozrzedzonej ciśnienie hydrostatyczne spada do takiego stopnia, że ​​siły działające na cząsteczki cieczy stają się większe niż siły spójności międzycząsteczkowej. W wyniku gwałtownej zmiany równowagi hydrostatycznej ciecz „pęka”, tworząc liczne, drobne pęcherzyki gazów i oparów. W następnej chwili, gdy w cieczy rozpoczyna się okres wysokiego ciśnienia, utworzone wcześniej bąbelki zapadają się. Procesowi zapadania się pęcherzyków towarzyszy powstawanie fal uderzeniowych o bardzo wysokim miejscowym ciśnieniu chwilowym, sięgającym kilkuset atmosfer.

Rozdział z tomu I podręcznika diagnostyki ultrasonograficznej, napisany przez pracowników Zakładu Diagnostyki Ultrasonograficznej Rosyjskiej Akademii Medycznej Kształcenia Podyplomowego (CD 2001), pod redakcją Mitkova V.V.

(artykuł znaleziony w internecie)

1. Właściwości fizyczne ultradźwięków
2. Odbicie i rozproszenie
3. Czujniki i fala ultradźwiękowa
4. Powolne skanowanie urządzeń
5. Narzędzia do szybkiego skanowania
6. Urządzenia dopplerowskie
7. Artefakty
8. Kontrola jakości urządzeń ultradźwiękowych
9. Biologiczne działanie ultradźwięków a bezpieczeństwo
10. Nowe trendy w diagnostyce ultrasonograficznej
11. Literatura
12. Pytania testowe

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ULTRADŹWIĘKÓW

Zastosowanie ultrasonografii w diagnostyce medycznej wiąże się z możliwością uzyskiwania obrazów narządów i struktur wewnętrznych. Podstawą metody jest interakcja ultradźwięków z tkankami ludzkiego ciała. Samą akwizycję obrazu można podzielić na dwie części. Pierwsza to napromienianie krótkich impulsów ultradźwiękowych skierowanych w badane tkanki, a druga to tworzenie obrazu na podstawie odbitych sygnałów. Zrozumienie zasady działania ultradźwiękowego aparatu diagnostycznego, znajomość podstaw fizyki ultradźwięków i ich interakcji z tkankami ludzkiego ciała pozwoli uniknąć mechanicznego, nieprzemyślanego użytkowania urządzenia, a co za tym idzie, bardziej kompetentnie podejść do procesu diagnostycznego .

Dźwięk to mechaniczna fala podłużna, w której drgania cząstek leżą w tej samej płaszczyźnie co kierunek rozchodzenia się energii (rys. 1).

Ryż. 1. Wizualne i graficzne przedstawienie zmian ciśnienia i gęstości w fali ultradźwiękowej.

Fala przenosi energię, ale nie materię. W przeciwieństwie do fal elektromagnetycznych (światła, fal radiowych itp.), dźwięk wymaga ośrodka do rozchodzenia się - nie może rozchodzić się w próżni. Jak wszystkie fale, dźwięk można opisać za pomocą szeregu parametrów. Są to częstotliwość, długość fali, prędkość propagacji w ośrodku, okres, amplituda i intensywność. Częstotliwość, okres, amplituda i intensywność są określane przez źródło dźwięku, prędkość propagacji jest określana przez ośrodek, a długość fali jest określana zarówno przez źródło dźwięku, jak i ośrodek. Częstotliwość to liczba pełnych oscylacji (cykli) w okresie 1 sekundy (rys. 2).

Ryż. 2. Częstotliwość fali ultradźwiękowej 2 cykle w ciągu 1 s = 2 Hz

Jednostkami częstotliwości są herce (Hz) i megaherce (MHz). Jeden herc to jedna oscylacja na sekundę. Jeden megaherc = 1000000 herców. Co sprawia, że ​​dźwięk jest „ultra”? To jest częstotliwość. Górna granica słyszalnego dźwięku - 20 000 Hz (20 kiloherców (kHz)) - to dolna granica zakresu ultradźwięków. Ultradźwiękowe lokalizatory nietoperzy działają w zakresie 25÷500 kHz. W nowoczesnych urządzeniach ultradźwiękowych do uzyskania obrazu wykorzystuje się ultradźwięki o częstotliwości 2 MHz i wyższej. Okres to czas potrzebny do uzyskania jednego pełnego cyklu oscylacji (rys. 3).

Ryż. 3. Okres fali ultradźwiękowej.

Jednostkami okresu są sekundy (s) i mikrosekundy (µs). Jedna mikrosekunda to jedna milionowa sekundy. Okres (µs) = 1/częstotliwość (MHz). Długość fali to długość, jaką jedna oscylacja zajmuje w przestrzeni (ryc. 4).

Ryż. 4. Długość fali.

Jednostki miary to metr (m) i milimetr (mm). Szybkość propagacji ultradźwięków to prędkość, z jaką fala przemieszcza się w ośrodku. Jednostkami prędkości rozchodzenia się ultradźwięków są metr na sekundę (m/s) i milimetr na mikrosekundę (mm/µs). Szybkość propagacji ultradźwięków zależy od gęstości i elastyczności ośrodka. Szybkość propagacji ultradźwięków wzrasta wraz ze wzrostem sprężystości i spadkiem gęstości ośrodka. W tabeli 2.1 przedstawiono szybkość propagacji ultradźwięków w niektórych tkankach ludzkiego ciała.

Średnia prędkość propagacji ultradźwięków w tkankach ludzkiego ciała wynosi 1540 m/s - większość ultradźwiękowych urządzeń diagnostycznych jest zaprogramowana na taką prędkość. Prędkość propagacji ultradźwięków (C), częstotliwość (f) i długość fali (λ) są powiązane następującym równaniem: C = f × λ. Ponieważ w naszym przypadku prędkość jest uważana za stałą (1540 m/s), pozostałe dwie zmienne f i λ są ze sobą powiązane zależnością odwrotnie proporcjonalną. Im wyższa częstotliwość, tym krótsza długość fali i mniejsze obiekty, które możemy zobaczyć. Kolejnym ważnym parametrem ośrodka jest impedancja akustyczna (Z). Opór akustyczny jest iloczynem wartości gęstości ośrodka i prędkości rozchodzenia się ultradźwięków. Rezystancja (Z) = gęstość (p) × prędkość propagacji (C).

Do uzyskania obrazu w diagnostyce ultrasonograficznej nie stosuje się ultradźwięków, które są emitowane przez głowicę w sposób ciągły (fala stała), lecz ultradźwięki emitowane w postaci krótkich impulsów (impulsowe). Powstaje, gdy na element piezoelektryczny podawane są krótkie impulsy elektryczne. Do scharakteryzowania ultradźwięków pulsacyjnych stosuje się dodatkowe parametry. Częstotliwość powtarzania impulsów to liczba impulsów emitowanych w jednostce czasu (sekunda). Częstotliwość powtarzania impulsów jest mierzona w hercach (Hz) i kilohercach (kHz). Czas trwania impulsu to przedział czasu jednego impulsu (rys. 5).

Ryż. 5. Czas trwania impulsu ultradźwiękowego.

Jest mierzony w sekundach (s) i mikrosekundach (µs). Współczynnik zajętości to ułamek czasu, w którym następuje emisja (w postaci impulsów) ultradźwięków. Długość impulsu przestrzennego (STP) to długość przestrzeni, w której umieszczony jest jeden impuls ultradźwiękowy (ryc. 6).

Ryż. 6. Przestrzenne rozciągnięcie impulsu.

Dla tkanek miękkich długość przestrzenna impulsu (mm) jest równa iloczynowi 1,54 (prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w mm/µs) i liczby oscylacji (cykli) na impuls (n) podzielonej przez częstotliwość w MHz. Lub PPI = 1,54 × n/f. Zmniejszenie długości przestrzennej impulsu można uzyskać (co jest bardzo ważne dla poprawy rozdzielczości osiowej) poprzez zmniejszenie liczby oscylacji w impulsie lub zwiększenie częstotliwości. Amplituda fali ultradźwiękowej to maksymalne odchylenie obserwowanej zmiennej fizycznej od wartości średniej (rys. 7).

Ryż. 7. Amplituda fali ultradźwiękowej

Intensywność ultradźwięków to stosunek mocy fali do powierzchni, na której rozchodzi się strumień ultradźwięków. Mierzy się ją w watach na centymetr kwadratowy (W/cm2). Przy równej mocy promieniowania im mniejszy obszar strumienia, tym większa intensywność. Intensywność jest również proporcjonalna do kwadratu amplitudy. Tak więc, jeśli amplituda podwoi się, to intensywność wzrośnie czterokrotnie. Intensywność jest nierównomierna zarówno na obszarze przepływu, jak i w przypadku ultradźwięków pulsacyjnych w czasie.

Podczas przechodzenia przez dowolne medium nastąpi spadek amplitudy i intensywności sygnału ultradźwiękowego, który nazywa się tłumieniem. Tłumienie sygnału ultradźwiękowego jest spowodowane absorpcją, odbiciem i rozpraszaniem. Jednostką tłumienia jest decybel (dB). Współczynnik tłumienia to tłumienie sygnału ultradźwiękowego na jednostkę długości drogi tego sygnału (dB/cm). Współczynnik tłumienia wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. Średnie współczynniki tłumienia w tkankach miękkich oraz spadek natężenia sygnału echa w zależności od częstotliwości przedstawiono w tabeli 2.2.

REFLEKSJA I ROZPROSZENIE

Kiedy ultradźwięki przechodzą przez tkanki na granicy ośrodków o różnym oporze akustycznym i prędkości ultradźwięków, zachodzą zjawiska odbicia, załamania, rozproszenia i absorpcji. W zależności od kąta mówi się o prostopadłym i ukośnym (pod kątem) padaniu wiązki ultradźwiękowej. Przy prostopadłym padaniu wiązki ultradźwiękowej może ona zostać całkowicie odbita lub częściowo odbita, częściowo przepuszczona przez granicę dwóch ośrodków; w tym przypadku kierunek ultradźwięków przenoszonych z jednego ośrodka do drugiego nie zmienia się (ryc. 8).

Ryż. 8. Prostopadłe padanie wiązki ultradźwiękowej.

Intensywność ultradźwięków odbitych i ultradźwięków, które przeszły przez granicę ośrodków, zależy od początkowego natężenia i różnicy impedancji akustycznych ośrodków. Stosunek intensywności fali odbitej do intensywności fali padającej nazywany jest współczynnikiem odbicia. Stosunek natężenia fali ultradźwiękowej, która przeszła przez granicę ośrodka, do natężenia fali padającej nazywa się współczynnikiem przewodzenia ultradźwięków. Tak więc, jeśli tkanki mają różne gęstości, ale taką samą impedancję akustyczną, nie będzie odbicia ultradźwięków. Z drugiej strony, przy dużej różnicy impedancji akustycznych, intensywność odbicia dąży do 100%. Przykładem tego jest interfejs powietrze/tkanka miękka. Na granicy tych ośrodków następuje niemal całkowite odbicie ultradźwięków. Aby poprawić przewodzenie ultradźwięków w tkankach ludzkiego ciała, stosuje się media łączące (żel). Przy ukośnym padaniu wiązki ultradźwiękowej określa się kąt padania, kąt odbicia i kąt załamania (ryc. 9).

Ryż. 9. Odbicie, załamanie.

Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Refrakcja to zmiana kierunku propagacji wiązki ultradźwiękowej, gdy przekracza ona granicę ośrodków o różnych prędkościach ultradźwięków. Sinus kąta załamania jest równy iloczynowi sinusa kąta padania przez wartość otrzymaną z podzielenia prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w drugim ośrodku przez prędkość w pierwszym. Sinus kąta załamania, a co za tym idzie sam kąt załamania, im większy, tym większa różnica prędkości propagacji ultradźwięków w dwóch ośrodkach. Załamania nie obserwuje się, gdy prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w dwóch ośrodkach są równe lub kąt padania wynosi 0. Mówiąc o odbiciu, należy pamiętać, że w przypadku, gdy długość fali jest znacznie większa niż wymiary nieregularności powierzchni odbijającej zachodzi odbicie lustrzane (opisane powyżej). Jeśli długość fali jest porównywalna z nieregularnościami powierzchni odbijającej lub występuje niejednorodność samego ośrodka, dochodzi do rozpraszania ultradźwięków.

Ryż. 10. Rozproszenie wsteczne.

W przypadku rozpraszania wstecznego (ryc. 10) ultradźwięki odbijają się w kierunku, z którego pochodzi pierwotna wiązka. Intensywność rozproszonych sygnałów wzrasta wraz ze wzrostem niejednorodności ośrodka i wzrostem częstotliwości (tj. spadkiem długości fali) ultradźwięków. Rozpraszanie w stosunkowo niewielkim stopniu zależy od kierunku padającej wiązki, co pozwala na lepszą wizualizację powierzchni odbijających światło, nie mówiąc już o miąższu narządów. Aby odbity sygnał był prawidłowo zlokalizowany na ekranie, konieczna jest znajomość nie tylko kierunku emitowanego sygnału, ale także odległości do reflektora. Odległość ta jest równa 1/2 iloczynu prędkości ultradźwięków w ośrodku i czasu między emisją a odbiorem odbitego sygnału (rys. 11). Iloczyn prędkości i czasu dzieli się na pół, ponieważ ultradźwięki przechodzą podwójną drogę (od emitera do reflektora iz powrotem), a nas interesuje tylko odległość od emitera do reflektora.

Ryż. 11. Pomiar odległości za pomocą ultradźwięków.

CZUJNIKI I FALE ULTRADŹWIĘKOWE

Do uzyskania ultradźwięków wykorzystywane są specjalne przetworniki, które zamieniają energię elektryczną na energię ultradźwiękową. Wytwarzanie ultradźwięków opiera się na odwrotnym efekcie piezoelektrycznym. Istota efektu polega na tym, że jeśli do pewnych materiałów (piezoelektryków) zostanie przyłożone napięcie elektryczne, to zmieni się ich kształt (ryc. 12).

Ryż. 12. Odwrotny efekt piezoelektryczny.

W tym celu w urządzeniach ultradźwiękowych najczęściej stosuje się sztuczne materiały piezoelektryczne, takie jak cyrkonian ołowiu czy tytanian ołowiu. W przypadku braku prądu element piezoelektryczny powraca do swojego pierwotnego kształtu, a po zmianie biegunowości kształt ponownie się zmieni, ale w przeciwnym kierunku. Jeśli do elementu piezoelektrycznego zostanie przyłożony szybki prąd przemienny, wówczas element zacznie się kurczyć i rozszerzać (tj. Oscylować) z wysoką częstotliwością, generując pole ultradźwiękowe. Częstotliwość pracy przetwornika (częstotliwość rezonansowa) jest określona przez stosunek prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w elemencie piezoelektrycznym do dwukrotności grubości tego elementu piezoelektrycznego. Detekcja sygnałów odbitych oparta jest na bezpośrednim efekcie piezoelektrycznym (rys. 13).

Ryż. 13. Bezpośredni efekt piezoelektryczny.

Sygnały powracające powodują oscylacje elementu piezoelektrycznego i pojawienie się na jego powierzchniach zmiennego prądu elektrycznego. W tym przypadku element piezoelektryczny działa jak czujnik ultradźwiękowy. Zwykle te same elementy są stosowane w urządzeniach ultradźwiękowych do emitowania i odbierania ultradźwięków. Dlatego terminy „przetwornik”, „przetwornik”, „czujnik” są synonimami. Czujniki ultradźwiękowe są urządzeniami złożonymi iw zależności od sposobu skanowania obrazu dzielą się na czujniki do urządzeń skanujących wolno (pojedynczy element) i szybko skanujących (skanowanie w czasie rzeczywistym) – mechanicznych i elektronicznych. Czujniki mechaniczne mogą być jedno- i wieloelementowe (pierścieniowe). Omiatanie wiązki ultradźwiękowej można osiągnąć poprzez kołysanie elementu, obracanie elementu lub kołysanie zwierciadłem akustycznym (ryc. 14).

Ryż. 14. Czujniki sektora mechanicznego.

Obraz na ekranie w tym przypadku ma postać sektora (czujniki sektorowe) lub koła (czujniki kołowe). Czujniki elektroniczne są wieloelementowe iw zależności od kształtu powstającego obrazu mogą być sektorowe, liniowe, wypukłe (wypukłe) (ryc. 15).

Ryż. 15. Elektroniczne czujniki wieloelementowe.

Przemiatanie obrazu w czujniku sektorowym uzyskuje się poprzez wychylanie wiązki ultradźwiękowej z jednoczesnym jej ogniskowaniem (ryc. 16).

Ryż. 16. Elektroniczny czujnik sektorowy z fazowaną anteną.

W czujnikach liniowych i wypukłych przemiatanie obrazu uzyskuje się poprzez wzbudzenie grupy elementów ich stopniowym ruchem wzdłuż szyku antenowego z jednoczesnym ogniskowaniem (rys. 17).

Ryż. 17. Elektroniczny czujnik liniowy.

Czujniki ultradźwiękowe różnią się od siebie szczegółami, ale ich schemat ideowy przedstawiono na rysunku 18.

Ryż. 18. Czujnik ultradźwiękowy.

Jednoelementowy przetwornik w postaci dysku w trybie promieniowania ciągłego wytwarza pole ultradźwiękowe, którego kształt zmienia się w zależności od odległości (rys. 19).

Ryż. 19. Dwa pola nieogniskowanego przetwornika.

Czasami można zaobserwować dodatkowe „przepływy” ultradźwiękowe, zwane płatami bocznymi. Odległość od dysku do długości bliskiego pola (strefy) nazywana jest strefą bliską. Strefa poza granicą bliskiego nazywana jest daleką. Długość strefy bliskiej jest równa stosunkowi kwadratu średnicy przetwornika do 4 długości fal. W strefie dalekiej zwiększa się średnica pola ultradźwiękowego. Miejsce największego zwężenia wiązki ultradźwiękowej nazywane jest ogniskiem, a odległość między przetwornikiem a obszarem ogniskowania nazywana jest ogniskową. Istnieją różne sposoby ogniskowania wiązki ultradźwiękowej. Najprostszą metodą ogniskowania jest soczewka akustyczna (ryc. 20).

Ryż. 20. Ogniskowanie soczewką akustyczną.

Dzięki niemu można skupić wiązkę ultradźwięków na określonej głębokości, która zależy od krzywizny soczewki. Ta metoda ustawiania ostrości nie pozwala na szybką zmianę ogniskowej, co jest niewygodne w praktycznej pracy. Innym sposobem na skupienie jest użycie lustra akustycznego (ryc. 21).

Ryż. 21. Ogniskowanie zwierciadłem akustycznym.

W tym przypadku zmieniając odległość zwierciadła od przetwornika zmienimy ogniskową. W nowoczesnych urządzeniach z wieloelementowymi czujnikami elektronicznymi ogniskowanie opiera się na ogniskowaniu elektronicznym (ryc. 17). Dzięki elektronicznemu systemowi ustawiania ostrości ogniskową możemy zmieniać z poziomu deski rozdzielczej, jednak dla każdego zdjęcia będziemy mieli tylko jedno pole ostrości. Ponieważ do pozyskiwania obrazu wykorzystywane są bardzo krótkie impulsy ultradźwiękowe emitowane z częstotliwością 1000 razy na sekundę (częstotliwość powtarzania impulsów 1 kHz), przez 99,9% czasu urządzenie pracuje jako odbiornik echa. Mając taki margines czasu, można zaprogramować urządzenie w taki sposób, aby podczas pierwszej akwizycji obrazu wybrana została strefa ostrości bliskiej (rys. 22) i zapisana została informacja odebrana z tej strefy.

Ryż. 22. Metoda dynamicznego ogniskowania.

Dalej - wybór następnego obszaru ostrości, uzyskanie informacji, zapisanie. I tak dalej. Rezultatem jest złożony obraz, który jest skupiony na całej głębokości. Należy jednak zauważyć, że ta metoda ogniskowania wymaga znacznej ilości czasu do uzyskania jednego obrazu (klatki), co powoduje spadek liczby klatek na sekundę i migotanie obrazu. Dlaczego tak wiele wysiłku wkłada się w skupienie wiązki ultradźwiękowej? Faktem jest, że im węższa wiązka, tym lepsza rozdzielczość boczna (boczna, azymutalna). Rozdzielczość poprzeczna to minimalna odległość między dwoma obiektami położonymi prostopadle do kierunku propagacji energii, które są prezentowane na ekranie monitora jako osobne struktury (rys. 23).

Ryż. 23. Metoda dynamicznego ogniskowania.

Rozdzielczość poprzeczna jest równa średnicy wiązki ultradźwiękowej. Rozdzielczość osiowa to minimalna odległość między dwoma obiektami położonymi wzdłuż kierunku propagacji energii, które są prezentowane na ekranie monitora jako osobne struktury (rys. 24).

Ryż. 24. Rozdzielczość osiowa: im krótszy impuls ultradźwiękowy, tym lepiej.

Rozdzielczość osiowa zależy od przestrzennego zasięgu impulsu ultradźwiękowego – im krótszy impuls, tym lepsza rozdzielczość. W celu skrócenia impulsu stosuje się zarówno mechaniczne, jak i elektroniczne tłumienie drgań ultradźwiękowych. Z reguły rozdzielczość osiowa jest lepsza niż rozdzielczość poprzeczna.

WOLNE URZĄDZENIA SKANOWAJĄCE

Obecnie powolne (ręczne, złożone) urządzenia skanujące mają znaczenie wyłącznie historyczne. Moralnie wymarli wraz z pojawieniem się szybkich urządzeń skanujących (urządzeń działających w czasie rzeczywistym). Jednak ich główne komponenty są zachowane również w nowoczesnych urządzeniach (oczywiście z wykorzystaniem nowoczesnej bazy elementów). Serce jest głównym generatorem impulsów (w nowoczesnych urządzeniach jest to potężny procesor), który steruje wszystkimi układami urządzenia ultradźwiękowego (ryc. 25).

Ryż. 25. Schemat blokowy skanera ręcznego.

Generator impulsów wysyła impulsy elektryczne do przetwornika, który generuje impuls ultradźwiękowy i wysyła go do tkanki, odbiera odbite sygnały, zamieniając je na wibracje elektryczne. Te oscylacje elektryczne są następnie przesyłane do wzmacniacza częstotliwości radiowej, który jest zwykle podłączony do regulatora wzmocnienia amplitudy czasowej (TAGU) – regulatora kompensacji absorpcji tkanek w głębi. Ponieważ tłumienie sygnału ultradźwiękowego w tkankach odbywa się zgodnie z prawem wykładniczym, jasność obiektów na ekranie maleje stopniowo wraz ze wzrostem głębokości (ryc. 26).

Ryż. 26. Kompensacja wchłaniania tkankowego.

Używając wzmacniacza liniowego, tj. wzmacniacz proporcjonalnie wzmacniający wszystkie sygnały nadmiernie wzmocniłby sygnały w bezpośrednim sąsiedztwie czujnika, próbując poprawić wizualizację głębokich obiektów. Zastosowanie wzmacniaczy logarytmicznych rozwiązuje ten problem. Sygnał ultradźwiękowy jest wzmacniany proporcjonalnie do czasu opóźnienia jego powrotu - im później powrócił, tym silniejsze wzmocnienie. W ten sposób użycie TVG pozwala uzyskać na ekranie obraz o tej samej jasności w głębi. Wzmocniony w ten sposób sygnał elektryczny o częstotliwości radiowej jest następnie podawany do demodulatora, gdzie jest prostowany i filtrowany, a następnie ponownie wzmacniany we wzmacniaczu wideo jest podawany na ekran monitora.

Aby zapisać obraz na ekranie monitora, wymagana jest pamięć wideo. Można go podzielić na analogowy i cyfrowy. Pierwsze monitory pozwalały na prezentację informacji w postaci analogowej bistabilnej. Urządzenie zwane dyskryminatorem umożliwiało zmianę progu dyskryminacji – sygnały o natężeniu poniżej progu dyskryminacji nie przechodziły przez niego, a odpowiednie sekcje ekranu pozostawały ciemne. Sygnały, których intensywność przekraczała próg dyskryminacji, były prezentowane na ekranie jako białe kropki. W tym przypadku jasność kropek nie zależała od bezwzględnej wartości natężenia odbitego sygnału – wszystkie białe kropki miały taką samą jasność. Przy tej metodzie prezentacji obrazu - nazwano ją "bistabilną" - granice narządów i struktur o wysokim współczynniku odbicia (np. zatoki nerkowej) były wyraźnie widoczne, jednak nie można było ocenić budowy narządów miąższowych. Pojawienie się w latach 70. urządzeń umożliwiających przenoszenie odcieni szarości na ekran monitora zapoczątkowało erę urządzeń w skali szarości. Urządzenia te umożliwiły uzyskanie informacji nieosiągalnych przy użyciu urządzeń z bistabilnym obrazem. Rozwój techniki komputerowej i mikroelektroniki szybko umożliwił przejście od obrazów analogowych do cyfrowych. Obrazy cyfrowe w urządzeniach ultradźwiękowych powstają na dużych matrycach (zwykle 512 × 512 pikseli) o skali szarości 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bitów). Podczas renderowania do głębokości 20 cm na matrycy 512 × 512 pikseli, jeden piksel będzie odpowiadał wymiarowi liniowemu 0,4 mm. W nowoczesnych instrumentach istnieje tendencja do zwiększania rozmiaru wyświetlaczy bez utraty jakości obrazu, aw instrumentach średniej klasy ekrany 12-calowe (o przekątnej 30 cm) stają się powszechne.

Kineskop urządzenia ultradźwiękowego (wyświetlacza, monitora) wykorzystuje ostro skupioną wiązkę elektronów do wytworzenia jasnego punktu na ekranie pokrytym specjalnym luminoforem. Za pomocą odchylających się płytek, miejsce to można przesuwać po ekranie.

Na Typ Sweep (amplituda) na jednej osi nanoszona jest odległość od czujnika, na drugiej intensywność odbitego sygnału (ryc. 27).

Ryż. 27. Przemiatanie sygnału typu A.

W nowoczesnych instrumentach przemiatanie typu A praktycznie nie jest używane.

typ B scan (Jasność - jasność) pozwala uzyskać wzdłuż linii skanowania informację o natężeniu odbitych sygnałów w postaci różnicy jasności poszczególnych punktów tworzących tę linię.

Przykład ekranu: przeciągnięcie w lewo B, po prawej - M i kardiogram.

typu M (czasem TM) przemiatanie (Motion - ruch) pozwala zarejestrować ruch (ruch) odbijających struktur w czasie. W tym przypadku pionowe przemieszczenia struktur odbijających są rejestrowane w postaci punktów o różnej jasności, a poziomo - przesunięcie położenia tych punktów w czasie (ryc. 28).

Ryż. 28. Przemiatanie typu M.

Aby uzyskać dwuwymiarowy obraz tomograficzny, konieczne jest w taki czy inny sposób przesunięcie linii skanowania wzdłuż płaszczyzny skanowania. W wolno skanujących urządzeniach osiągnięto to poprzez ręczne przesuwanie czujnika wzdłuż powierzchni ciała pacjenta.

SZYBKIE URZĄDZENIA SKANUJĄCE

Szybkie skanery lub, jak się je powszechnie nazywa, skanery działające w czasie rzeczywistym, całkowicie zastąpiły teraz wolne lub ręczne skanery. Wynika to z szeregu zalet, jakie posiadają te urządzenia: możliwość oceny ruchu narządów i struktur w czasie rzeczywistym (tj. prawie w tym samym momencie); gwałtowny spadek czasu poświęcanego na badania; możliwość prowadzenia badań przez małe okienka akustyczne.

Jeśli urządzenia wolno skanujące można porównać do kamery (uzyskującej nieruchomy obraz), to urządzenia pracujące w czasie rzeczywistym można porównać do kina, w którym nieruchome obrazy (klatki) wymieniają się z dużą częstotliwością, tworząc wrażenie ruchu.

W urządzeniach szybkiego skanowania, jak wspomniano powyżej, stosuje się mechaniczne i elektroniczne czujniki sektorowe, elektroniczne czujniki liniowe, elektroniczne czujniki wypukłe (wypukłe) i mechaniczne czujniki promieniowe.

Jakiś czas temu na wielu urządzeniach pojawiły się czujniki trapezowe, których pole widzenia miało kształt trapezu, jednak nie wykazywały one przewagi nad czujnikami wypukłymi, ale same miały szereg wad.

Obecnie najlepszym czujnikiem do badania narządów jamy brzusznej, przestrzeni zaotrzewnowej i miednicy małej jest czujnik wypukły. Ma stosunkowo małą powierzchnię styku i bardzo duże pole widzenia w strefie środkowej i dalekiej, co ułatwia i przyspiesza badanie.

Podczas skanowania wiązką ultradźwiękową wynik każdego pełnego przejścia wiązki nazywany jest ramką. Ramka jest utworzona z dużej liczby pionowych linii (ryc. 29).

Ryż. 29. Tworzenie obrazu za pomocą oddzielnych linii.

Każda linia to co najmniej jeden impuls ultradźwiękowy. Częstotliwość powtarzania impulsów dla uzyskania obrazu w skali szarości w nowoczesnych instrumentach wynosi 1 kHz (1000 impulsów na sekundę).

Istnieje zależność między częstotliwością powtarzania impulsów (PRF), liczbą linii tworzących ramkę a liczbą ramek na jednostkę czasu: PRF = liczba linii × liczba klatek na sekundę.

Na ekranie monitora jakość wynikowego obrazu będzie determinowana w szczególności gęstością linii. W przypadku czujnika liniowego gęstość linii (linie/cm) to stosunek liczby linii tworzących ramkę do szerokości części monitora, na której tworzony jest obraz.

W przypadku czujnika sektorowego gęstość linii (linie/stopień) to stosunek liczby linii tworzących ramkę do kąta sektora.

Im wyższa częstotliwość odświeżania ustawiona w urządzeniu, tym mniejsza liczba linii tworzących ramkę (przy danej częstotliwości powtarzania impulsów), tym mniejsze zagęszczenie linii na ekranie monitora, a tym samym gorsza jakość uzyskanego obrazu. Ale przy dużej liczbie klatek na sekundę mamy dobrą rozdzielczość czasową, co jest bardzo ważne w badaniach echokardiograficznych.

URZĄDZENIA DOPPLEROGRAFICZNE

Metoda badań ultradźwiękowych pozwala nie tylko na uzyskanie informacji o stanie strukturalnym narządów i tkanek, ale także na scharakteryzowanie przepływów w naczyniach. Zdolność ta opiera się na efekcie Dopplera – zmianie częstotliwości odbieranego dźwięku podczas ruchu względem ośrodka źródła lub odbiornika dźwięku lub ciała rozpraszającego dźwięk. Obserwuje się to dzięki temu, że prędkość propagacji ultradźwięków w każdym jednorodnym ośrodku jest stała. Dlatego, jeśli źródło dźwięku porusza się ze stałą prędkością, fale dźwiękowe emitowane w kierunku ruchu wydają się być skompresowane, zwiększając częstotliwość dźwięku. Fale promieniowały w przeciwnym kierunku, jakby rozciągnięte, powodując spadek częstotliwości dźwięku (ryc. 30).

Ryż. 30. Efekt Dopplera.

Porównując pierwotną częstotliwość ultradźwięków ze zmodyfikowaną, można wyznaczyć przesunięcie Dollera i obliczyć prędkość. Nie ma znaczenia, czy dźwięk jest emitowany przez poruszający się obiekt, czy obiekt odbija fale dźwiękowe. W drugim przypadku źródło ultradźwięków może być nieruchome (czujnik ultradźwiękowy), a poruszające się erytrocyty mogą pełnić rolę reflektora fal ultradźwiękowych. Przesunięcie Dopplera może być dodatnie (jeśli reflektor porusza się w kierunku źródła dźwięku) lub ujemne (jeśli reflektor oddala się od źródła dźwięku). W przypadku, gdy kierunek padania wiązki ultradźwiękowej nie jest równoległy do ​​kierunku ruchu reflektora, należy skorygować przesunięcie Dopplera o cosinus kąta q między wiązką padającą a kierunkiem ruchu reflektora reflektor (ryc. 31).

Ryż. 31. Kąt między padającą wiązką a kierunkiem przepływu krwi.

Aby uzyskać informacje Dopplera, stosuje się dwa rodzaje urządzeń - stałą falę i pulsację. W instrumencie Dopplera z falą ciągłą przetwornik składa się z dwóch przetworników: jeden z nich stale emituje ultradźwięki, drugi stale odbiera sygnały odbite. Odbiornik określa przesunięcie Dopplera, które zazwyczaj wynosi -1/1000 częstotliwości źródła ultradźwięków (zakres słyszalny) i przesyła sygnał do głośników i równolegle do monitora w celu jakościowej i ilościowej oceny kształtu fali. Urządzenia o stałej fali wykrywają przepływ krwi na prawie całej ścieżce wiązki ultradźwiękowej, czyli innymi słowy, mają dużą objętość kontrolną. Może to spowodować uzyskanie nieodpowiednich informacji, gdy kilka naczyń wejdzie do objętości kontrolnej. Jednak duża objętość kontrolna jest przydatna do obliczania spadku ciśnienia w zwężeniu zastawki.

Aby ocenić przepływ krwi w określonym obszarze, konieczne jest umieszczenie objętości kontrolnej w badanym obszarze (na przykład wewnątrz określonego naczynia) pod kontrolą wizualną na ekranie monitora. Można to osiągnąć za pomocą urządzenia pulsacyjnego. Istnieje górna granica przesunięcia Dopplera, którą można wykryć za pomocą przyrządów pulsacyjnych (czasami nazywana granicą Nyquista). Jest to około 1/2 częstotliwości powtarzania impulsów. Po jego przekroczeniu widmo Dopplera ulega zniekształceniu (aliasing). Im wyższa częstotliwość powtarzania impulsów, tym większe przesunięcie Dopplera można określić bez zniekształceń, ale tym mniejsza jest czułość przyrządu na przepływy o małej prędkości.

Ze względu na to, że impulsy ultradźwiękowe kierowane do tkanek zawierają oprócz głównej, dużą liczbę częstotliwości, a także z uwagi na to, że prędkości poszczególnych odcinków przepływu nie są takie same, impuls odbity składa się z dużej liczbę różnych częstotliwości (ryc. 32).

Ryż. 32. Wykres widma impulsu ultradźwiękowego.

Korzystając z szybkiej transformaty Fouriera, skład częstotliwości impulsu można przedstawić jako widmo, które można wyświetlić na ekranie monitora jako krzywą, na której częstotliwości przesunięcia Dopplera są wykreślone poziomo, a amplituda każdej składowej jest wykreślona pionowo. Z widma Dopplera można wyznaczyć dużą liczbę parametrów prędkości przepływu krwi (prędkość maksymalna, prędkość na końcu rozkurczu, prędkość średnia itp.), jednak wskaźniki te są zależne od kąta, a ich dokładność w dużej mierze zależy od dokładność korekty kąta. A jeśli w dużych naczyniach niekrętych korekcja kąta nie sprawia problemów, to w małych naczyniach krętych (guzowych) dość trudno jest określić kierunek przepływu. Aby rozwiązać ten problem, zaproponowano szereg wskaźników prawie niezależnych od węgla, z których najczęstszymi są wskaźnik oporu i wskaźnik pulsacji. Wskaźnik oporu to stosunek różnicy między maksymalną i minimalną prędkością do maksymalnego natężenia przepływu (ryc. 33). Wskaźnik pulsacji to stosunek różnicy między maksymalną i minimalną prędkością do średniej prędkości przepływu.

Ryż. 33. Obliczanie wskaźnika rezystancji i wskaźnika pulsatora.

Uzyskanie widma dopplerowskiego z jednej objętości kontrolnej pozwala na ocenę przepływu krwi na bardzo małym obszarze. Kolorowe obrazowanie przepływu (Color Doppler) dostarcza informacji o przepływie 2D w czasie rzeczywistym, oprócz konwencjonalnego obrazowania 2D w skali szarości. Obrazowanie Color Doppler rozszerza możliwości pulsacyjnej zasady akwizycji obrazu. Sygnały odbite od nieruchomych struktur są rozpoznawane i przedstawiane w skali szarości. Jeśli odbity sygnał ma częstotliwość inną niż emitowana, oznacza to, że został odbity od poruszającego się obiektu. W tym przypadku określane jest przesunięcie Dopplera, jego znak oraz wartość średniej prędkości. Parametry te służą do określenia koloru, jego nasycenia i jasności. Zazwyczaj kierunek przepływu w kierunku czujnika jest kodowany na czerwono, a od czujnika na niebiesko. Jasność koloru zależy od natężenia przepływu.

W ostatnich latach pojawił się wariant kolorowego mapowania Dopplera, zwany „power Doppler” (Power Doppler). W przypadku power Dopplera nie określa się wartości przesunięcia Dopplera w odbitym sygnale, ale jego energię. Takie podejście pozwala zwiększyć czułość metody na małe prędkości i uczynić ją niemal niezależną od kąta, choć kosztem utraty możliwości wyznaczania bezwzględnej wartości prędkości i kierunku przepływu.

ARTEFAKTY

Artefaktem w diagnostyce ultrasonograficznej jest pojawienie się na obrazie nieistniejących struktur, brak istniejących struktur, niewłaściwa lokalizacja struktur, niewłaściwa jasność struktur, niewłaściwe zarysy struktur, niewłaściwe rozmiary struktur. Pogłos, jeden z najczęstszych artefaktów, pojawia się, gdy impuls ultradźwiękowy uderza między dwie lub więcej powierzchni odbijających światło. W tym przypadku część energii impulsu ultradźwiękowego jest wielokrotnie odbijana od tych powierzchni, za każdym razem częściowo wracając do czujnika w regularnych odstępach czasu (ryc. 34).

Ryż. 34. Pogłos.

Skutkiem tego będzie pojawienie się na ekranie monitora nieistniejących powierzchni odblaskowych, które będą znajdować się za drugim odbłyśnikiem w odległości równej odległości między pierwszym a drugim odbłyśnikiem. Czasami możliwe jest zmniejszenie pogłosu poprzez zmianę położenia czujnika. Wariantem pogłosu jest artefakt zwany „ogonem komety”. Obserwuje się to w przypadku, gdy ultradźwięki powodują naturalne drgania obiektu. Ten artefakt jest często obserwowany za małymi pęcherzykami gazu lub małymi metalowymi przedmiotami. Ze względu na to, że nie zawsze cały odbity sygnał wraca do czujnika (rys. 35), pojawia się artefakt efektywnej powierzchni odbicia, który jest mniejszy od rzeczywistej powierzchni odbicia.

Ryż. 35. Skuteczna powierzchnia odbijająca światło.

Z powodu tego artefaktu rozmiary kamieni określane za pomocą ultradźwięków są zwykle nieco mniejsze niż rzeczywiste. Refrakcja może spowodować nieprawidłowe położenie obiektu na obrazie wynikowym (ryc. 36).

Ryż. 36. Efektywna powierzchnia odbijająca światło.

W przypadku, gdy droga ultradźwięków od przetwornika do struktury odbijającej iz powrotem nie jest taka sama, dochodzi do nieprawidłowego położenia obiektu na obrazie wynikowym. Artefakty lustrzane to wygląd przedmiotu znajdującego się po jednej stronie silnego reflektora po jego drugiej stronie (ryc. 37).

Ryż. 37. Lustrzany artefakt.

Artefakty lustrzane często pojawiają się w pobliżu apertury.

Artefakt cienia akustycznego (ryc. 38) występuje za strukturami, które silnie odbijają lub silnie pochłaniają ultradźwięki. Mechanizm powstawania cienia akustycznego jest podobny do powstawania cienia optycznego.

Ryż. 38. Cień akustyczny.

Artefakt dystalnego wzmocnienia sygnału (ryc. 39) występuje za strukturami słabo pochłaniającymi ultradźwięki (ciecz, formacje zawierające ciecz).

Ryż. 39. Wzmocnienie echa dystalnego.

Artefakt cieni bocznych związany jest z załamaniem, a niekiedy interferencją fal ultradźwiękowych, gdy wiązka ultradźwiękowa pada stycznie na wypukłą powierzchnię (torbiel, pęcherzyk żółciowy szyjny) struktury, której prędkość ultradźwięków znacznie różni się od otaczających tkanek ( Ryc. 40).

Ryż. 40. Cienie boczne.

Artefakty związane z nieprawidłowym określeniem prędkości ultradźwięków powstają w wyniku tego, że rzeczywista prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w danej tkance jest większa lub mniejsza od średniej (1,54 m/s) prędkości, na jaką zaprogramowano urządzenie (ryc. 41).

Ryż. 41. Zniekształcenia spowodowane różnicami prędkości ultradźwięków (V1 i V2) w różnych ośrodkach.

Artefakty grubości wiązki ultradźwiękowej to pojawianie się, głównie w narządach zawierających płyn, odbić przyściennych ze względu na fakt, że wiązka ultradźwiękowa ma określoną grubość i część tej wiązki może jednocześnie tworzyć obraz narządu i obraz sąsiednich struktury (ryc. 42).

Ryż. 42. Artefakt grubości wiązki ultradźwiękowej.

KONTROLA JAKOŚCI DZIAŁANIA URZĄDZEŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH

Kontrola jakości urządzeń ultradźwiękowych obejmuje określenie czułości względnej układu, rozdzielczości osiowej i poprzecznej, martwej strefy, poprawności działania dalmierza, dokładności rejestracji, poprawności działania TVG, określenia zakresu dynamicznego skali szarości itp. . Do kontroli jakości działania urządzeń ultradźwiękowych stosuje się specjalne obiekty testowe lub fantomy równoważne tkankom (ryc. 43). Są one dostępne na rynku, ale nie są powszechnie stosowane w naszym kraju, co sprawia, że ​​kalibracja ultradźwiękowych urządzeń diagnostycznych w terenie jest prawie niemożliwa.

Ryż. 43. Obiekt testowy Amerykańskiego Instytutu Ultrasonografii w Medycynie.

BIOLOGICZNY WPŁYW ULTRADŹWIĘKÓW A BEZPIECZEŃSTWO

Biologiczne działanie ultradźwięków i ich bezpieczeństwo dla pacjenta jest przedmiotem ciągłych dyskusji w piśmiennictwie. Wiedza o biologicznym działaniu ultradźwięków opiera się na badaniu mechanizmów działania ultradźwięków, badaniu wpływu ultradźwięków na kultury komórkowe, badaniach eksperymentalnych na roślinach, zwierzętach, wreszcie na badaniach epidemiologicznych.

Ultradźwięki mogą powodować efekt biologiczny poprzez wpływy mechaniczne i termiczne. Tłumienie sygnału ultradźwiękowego wynika z absorpcji, tj. przekształcania energii fal ultradźwiękowych w ciepło. Ogrzewanie tkanek wzrasta wraz ze wzrostem natężenia emitowanego ultradźwięku i jego częstotliwości. Kawitacja to powstawanie pulsujących pęcherzyków w cieczy wypełnionej gazem, parą wodną lub ich mieszaniną. Jedną z przyczyn powstawania kawitacji może być fala ultradźwiękowa. Czy ultradźwięki są szkodliwe, czy nie?

Badania związane z wpływem ultradźwięków na komórki, prace eksperymentalne na roślinach i zwierzętach oraz badania epidemiologiczne doprowadziły Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie do wydania następującego oświadczenia, które zostało ostatnio potwierdzone w 1993 roku:

„Nigdy nie odnotowano potwierdzonych skutków biologicznych u pacjentów lub osób pracujących przy urządzeniu, spowodowanych napromieniowaniem (ultradźwiękami), którego intensywność jest typowa dla nowoczesnych ultrasonograficznych urządzeń diagnostycznych. Chociaż możliwe jest wykrycie takich skutków biologicznych w przyszłości aktualne dane wskazują, że korzyści dla pacjenta wynikające z rozważnego stosowania ultrasonografii diagnostycznej przewyższają potencjalne ryzyko, jeśli takie istnieje”.

NOWE KIERUNKI W DIAGNOSTYCE USG

Następuje szybki rozwój diagnostyki ultrasonograficznej, ciągłe doskonalenie urządzeń do diagnostyki ultrasonograficznej. Można przyjąć kilka głównych kierunków przyszłego rozwoju tej metody diagnostycznej.

Możliwe jest dalsze doskonalenie technik dopplerowskich, zwłaszcza takich jak power Doppler, Doppler do kolorowego obrazowania tkanek.

Echografia trójwymiarowa w przyszłości może stać się bardzo ważnym obszarem diagnostyki ultrasonograficznej. Obecnie na rynku dostępnych jest kilka aparatów do diagnostyki ultrasonograficznej, które pozwalają na trójwymiarową rekonstrukcję obrazu, jednak kliniczne znaczenie tego kierunku pozostaje niejasne.

Koncepcję wykorzystania kontrastów ultrasonograficznych po raz pierwszy wysunęli R.Gramiak i P.M.Shah pod koniec lat sześćdziesiątych podczas badania echokardiograficznego. Obecnie na rynku dostępny jest kontrast „Ehovist” (Shering), służący do obrazowania prawego serca. Został on niedawno zmodyfikowany w celu zmniejszenia rozmiaru cząstek kontrastu i może być zawracany do układu krążenia człowieka (Levovist, Schering). Lek ten znacznie poprawia sygnał dopplerowski, zarówno widmowy, jak i barwny, co może być istotne w ocenie przepływu krwi w guzie.

Echografia wewnątrzjamowa przy użyciu ultracienkich czujników otwiera nowe możliwości badania narządów i struktur jamistych. Jednak w chwili obecnej rozpowszechnienie tej techniki ogranicza wysoki koszt specjalistycznych sensorów, które ponadto mogą być użyte do badań ograniczoną liczbę razy (1÷40).

Obiecującym kierunkiem, który może w przyszłości poprawić dokładność diagnozowania drobnych zmian strukturalnych w narządach miąższowych jest komputerowe przetwarzanie obrazu w celu obiektywizacji uzyskanych informacji. Niestety uzyskane do tej pory wyniki nie mają istotnego znaczenia klinicznego.

Jednak to, co jeszcze wczoraj wydawało się odległą przyszłością w diagnostyce ultrasonograficznej, dziś stało się powszechną rutynową praktyką i prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości będziemy świadkami wprowadzenia do praktyki klinicznej nowych technik diagnostyki ultrasonograficznej.

LITERATURA

1. Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie. Komitet ds. Bioefektów AIUM. - J. USG Med. - 1983; 2: R14.
2. Raporty z badań nad oceną skutków biologicznych AIUM. Bethesda, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1984.
3. Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie. Oświadczenia dotyczące bezpieczeństwa AIUM. - J. Ultrasonografia med. - 1983; 2: R69.
4. Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie. Oświadczenie dotyczące bezpieczeństwa klinicznego. - J. USG Med. - 1984; 3:R10.
5. Banjavic RA. Projektowanie i utrzymanie systemu zapewnienia jakości diagnostycznego sprzętu ultrasonograficznego. - Semin. USG - 1983; 4:10-26.
6. Komitet Bioefektów. Względy bezpieczeństwa dotyczące diagnostyki ultrasonograficznej. Laurel, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1991.
7. Podkomisja Konferencji Bioeffects. Bioefekty i bezpieczeństwo diagnostyki ultrasonograficznej. Laurel, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1993.
8. Eden A. Poszukiwanie Christiana Dopplera. Nowy Jork, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R i in. Ultradźwięki Dopplera: fizyka, oprzyrządowanie i zastosowania kliniczne . Nowy Jork, Wiley & Sons, 1989.
10. Gil RW. Pomiar przepływu krwi za pomocą ultradźwięków: dokładność i źródła błędów. - USG Med. Biol. - 1985; 11:625-641.
11. Guyton AC. Podręcznik fizjologii medycznej. 7. edycja. Filadelfia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter TV, Haber K. Porównanie skanowania w czasie rzeczywistym z konwencjonalnym statycznym skanowaniem w trybie B. - J. USG Med. - 1983; 2:363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Dopplerowskie obrazowanie przepływu kolorów. Nowy Jork, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau F.W. Efekty biologiczne i możliwe zagrożenia. W: Campbell S, wyd. Ultrasonografia w położnictwie i ginekologii. Londyn, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau F.W. Błąd kąta Dopplera spowodowany refrakcją. - USG Med. Biol. - 1990; 16:523-524. - 1991; 17:97.
16. Kremkau F.W. Dane dotyczące częstotliwości przesunięcia Dopplera. - J. USG Med. - 1987; 6:167.
17. Kremkau F.W. Bezpieczeństwo i długoterminowe skutki ultradźwięków: co mówić swoim pacjentom. W: Platt LD, wyd. USG okołoporodowe; Clin. uporczywy Gynecol.- 1984; 27:269-275.
18. Kremkau F.W. Tematy techniczne (kolumna pojawiająca się co dwa miesiące w sekcji Refleksje). - J. USG Med. - 1983; 2.
19. Laing FC Często spotykane artefakty w ultrasonografii klinicznej. - Semin. USG-1983; 4:27-43.
20. Merrit CRB, wyd. Kolorowe obrazowanie Dopplera. Nowy Jork, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. hemodynamika. 2. wydanie. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Sonar zwierząt. Nowy Jork, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O „Rourke MF. Przepływ krwi w tętnicach McDonalda. Filadelfia, Lea i Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Praktyczne USG Dopplera dla klinicysty. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Względy bezpieczeństwa dotyczące diagnostyki ultrasonograficznej. Bethesda, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Podstawowa fizyka Dopplera. Madison, Wl, Wydawnictwo Fizyki Medycznej, 1991.
27. Zweibel WJ. Przegląd podstawowych terminów w diagnostyce ultrasonograficznej. - Semin. USG - 1983; 4:60-62.
28. Zwiebel WJ. Fizyka. - Semin. USG - 1983; 4:1-62.
29. P. Golyamina, rozdz. wyd. Ultradźwięk. Moskwa, „Encyklopedia radziecka”, 1979.

PYTANIA TESTOWE

1. Podstawą metody badań ultrasonograficznych jest:
   A. wizualizacja narządów i tkanek na ekranie urządzenia
   B. oddziaływanie ultradźwięków na tkanki organizmu człowieka
   B. odbieranie echa
   G. promieniowanie ultradźwiękowe
   D. przedstawienie obrazu w skali szarości na ekranie instrumentu
2. Ultradźwięki to dźwięk, którego częstotliwość nie jest niższa niż:
   a.15kHz
   B. 20000 Hz
   B. 1 MHz D. 30 Hz E. 20 Hz
3. Szybkość propagacji ultradźwięków wzrasta, jeśli:
   A. wzrasta gęstość ośrodka
   B. zmniejsza się gęstość ośrodka
   B. zwiększa się elastyczność
   D. gęstość, wzrost elastyczności
   D. zmniejsza się gęstość, wzrasta elastyczność
4. Średnia prędkość propagacji ultradźwięków w tkankach miękkich wynosi:
   A. 1450 m/s
   B. 1620 m/s
   B. 1540 m/s
   śr. 1300 m/s
   D. 1420 m/s
5. Szybkość propagacji ultradźwięków jest określona przez:
   Częstotliwość
   B. Amplituda
   B. Długość fali
   okres G
   D. Środa
6. Długość fali w tkankach miękkich wraz ze wzrostem częstotliwości:
   A. malejący
   B. pozostaje bez zmian
   B. wzrasta
7. Mając wartości prędkości rozchodzenia się ultradźwięków i częstotliwości, możemy obliczyć:
   A. Amplituda
   B. kropka
   B. Długość fali
   D. amplituda i okres E. okres i długość fali
8. Wraz ze wzrostem częstotliwości współczynnik tłumienia w tkankach miękkich:
   A. malejący
   B. pozostaje bez zmian
   B. wzrasta
9. Który z poniższych parametrów określa właściwości ośrodka, przez który przechodzi ultradźwięki:
   a. opór
   B. intensywność
   B. Amplituda
   Częstotliwość G
   D. kropka
10. Którego z poniższych parametrów nie można określić na podstawie pozostałych dostępnych:
    A. częstotliwość
    B. kropka
    B. Amplituda
    G. Długość fali
    D. prędkość propagacji
11. Ultradźwięki odbijają się od granicy ośrodków, które różnią się:
    Gęstość
    B. Impedancja akustyczna
    B. prędkość ultradźwięków
    G. elastyczność
    D. Prędkość i sprężystość ultradźwięków
12. Aby obliczyć odległość do reflektora, musisz wiedzieć:
    A. tłumienie, prędkość, gęstość
    B. tłumienie, opór
    B. tłumienie, pochłanianie
    D. czas powrotu sygnału, prędkość
    D. gęstość, prędkość
13. Ultradźwięki można skupić:
    a. wypaczony element
    B. odbłyśnik zakrzywiony
    B. Obiektyw
    G. fazowana antena
    D. wszystkie powyższe
14. Rozdzielczość osiowa jest określana przez:
    A. ogniskowanie
    B. odległość obiektu
    B. typ czujnika
    D. Środa
15. Rozdzielczość poprzeczna jest określana przez:
    A. ogniskowanie
    B. odległość obiektu
    B. typ czujnika
    G. liczba oscylacji w impulsie
    Środa D

Rozdział z tomu I przewodnika po diagnostyce ultrasonograficznej,

napisany przez pracowników Zakładu Diagnostyki Ultrasonograficznej

Rosyjska Akademia Medyczna Kształcenia Podyplomowego

Częstotliwości 16 Hz - 20 kHz, które ludzki aparat słuchowy jest w stanie odbierać, są zwykle nazywane dźwiękami lub akustycznymi, na przykład pisk komara „10 kHz. Ale powietrze, głębiny mórz i wnętrzności ziemi wypełnione są dźwiękami spoza tego zakresu - infra i ultradźwiękami. W przyrodzie ultradźwięki występują jako składowa wielu naturalnych dźwięków, w szumie wiatru, wodospadu, deszczu, kamyków morskich, fal, wyładowań atmosferycznych. Wiele ssaków, takich jak koty i psy, ma zdolność odbierania ultradźwięków do 100 kHz, a zdolności lokalizacyjne nietoperzy, owadów nocnych i zwierząt morskich są powszechnie znane. Istnienie takich dźwięków zostało odkryte wraz z rozwojem akustyki dopiero pod koniec XIX wieku. W tym samym czasie rozpoczęto pierwsze badania ultradźwięków, ale podwaliny pod ich zastosowanie położono dopiero w pierwszej tercji XX wieku.

Co to jest ultradźwięki

Fale ultradźwiękowe (dźwięk niesłyszalny) ze swej natury nie różnią się od fal w zakresie słyszalnym i podlegają tym samym prawom fizycznym. Ale ultradźwięki mają specyficzne cechy, które zadecydowały o jego powszechnym zastosowaniu w nauce i technice.

Oto główne:

• Mała długość fali. Dla najniższego zakresu ultradźwięków długość fali w większości mediów nie przekracza kilku centymetrów. Krótka długość fali określa promienny charakter propagacji fal ultradźwiękowych. W pobliżu emitera ultradźwięki rozchodzą się w postaci wiązek o rozmiarach zbliżonych do rozmiaru emitera. Uderzając w niejednorodności w ośrodku, wiązka ultradźwiękowa zachowuje się jak wiązka światła, ulegając odbiciu, załamaniu, rozproszeniu, co umożliwia tworzenie obrazów dźwiękowych w ośrodkach optycznie nieprzezroczystych za pomocą efektów czysto optycznych (ogniskowanie, dyfrakcja itp.)
• Mały okres oscylacji, który umożliwia emisję ultradźwięków w postaci impulsów oraz dokonywanie precyzyjnej selekcji czasowej sygnałów rozchodzących się w ośrodku.
• Możliwość uzyskania dużych wartości natężenia oscylacji przy małej amplitudzie, bo energia oscylacji jest proporcjonalna do kwadratu częstotliwości. Umożliwia to tworzenie wiązek i pól ultradźwiękowych o wysokim poziomie energii bez konieczności stosowania dużego sprzętu.
• W polu ultradźwiękowym rozwijają się znaczne prądy akustyczne, więc oddziaływanie ultradźwięków na ośrodek generuje określone efekty fizyczne, chemiczne, biologiczne i medyczne, takie jak kawitacja, efekt kapilarny, dyspersja, emulgacja, odgazowanie, dezynfekcja, miejscowe ogrzewanie i wiele innych.

Historia ultradźwięków

Dbałość o akustykę spowodowana była potrzebami flot czołowych mocarstw – Anglii i Francji, bo. akustyczny - jedyny rodzaj sygnału, który może podróżować daleko w wodzie. W 1826 roku francuski naukowiec Colladon określił prędkość dźwięku w wodzie. Eksperyment Colladona uważany jest za narodziny współczesnej hydroakustyki. Uderzenie w dzwon podwodny w Jeziorze Genewskim nastąpiło z jednoczesnym zapłonem prochu strzelniczego. Błysk prochu strzelniczego zaobserwował Colladon z odległości 10 mil. Słyszał również dźwięk dzwonka przez podwodną rurkę słuchową. Mierząc odstęp czasu między tymi dwoma zdarzeniami, Colladon obliczył prędkość dźwięku – 1435 m/s. Różnica w stosunku do współczesnych obliczeń wynosi tylko 3 m/s.

W 1838 roku w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy użyto dźwięku do określenia profilu dna morskiego. Źródłem dźwięku, podobnie jak w doświadczeniu Colladona, był dzwon brzmiący pod wodą, a odbiornikiem duże rurki słuchowe, które wypadły za burtę. Wyniki eksperymentu były rozczarowujące - dźwięk dzwonu, a także eksplozja nabojów prochowych w wodzie, dały zbyt słabe echo, prawie niesłyszalne wśród innych dźwięków morza. Konieczne było wejście w rejon wyższych częstotliwości, które umożliwiłyby tworzenie ukierunkowanych wiązek dźwiękowych.

Pierwszy generator ultradźwięków wykonał w 1883 roku Anglik Galton. Ultradźwięki powstały jak wysoki dźwięk na ostrzu noża, gdy uderza w niego strumień powietrza. Rolę takiego punktu w gwizdku Galtona pełnił walec o ostrych krawędziach. Powietrze (lub inny gaz) wydostające się pod ciśnieniem przez pierścieniową dyszę o średnicy równej krawędzi cylindra wpadło do niej i wystąpiły oscylacje o wysokiej częstotliwości. Dmuchając w gwizdek wodorem, udało się uzyskać oscylacje do 170 kHz.

W 1880 roku Pierre i Jacques Curie dokonali decydującego odkrycia dla technologii ultradźwiękowej. Bracia Curie zauważyli, że gdy ciśnienie jest przykładane do kryształów kwarcu, generowany jest ładunek elektryczny, który jest wprost proporcjonalny do siły przyłożonej do kryształu. Zjawisko to zostało nazwane „piezoelektrycznością” od greckiego słowa oznaczającego „naciskać”. Ponadto zademonstrowali odwrotny efekt piezoelektryczny, który występuje, gdy do kryształu przyłożony jest szybko zmieniający się potencjał elektryczny, powodujący jego wibracje. Odtąd technicznie możliwe stało się wytwarzanie niewielkich rozmiarów nadajników i odbiorników ultradźwięków.

Śmierć Titanica w wyniku zderzenia z górą lodową, konieczność walki z nową bronią - okręty podwodne wymagały szybkiego rozwoju hydroakustyki ultradźwiękowej. W 1914 roku francuski fizyk Paul Langevin wraz z mieszkającym w Szwajcarii rosyjskim naukowcem Konstantinem Szyłowskim jako pierwszy opracowali sonar składający się z emitera ultradźwięków i hydrofonu - odbiornika drgań ultradźwiękowych opartych na efekcie piezoelektrycznym. Sonar Langevin-Shilovsky był pierwszym urządzeniem ultradźwiękowym stosowanym w praktyce. Również na początku wieku rosyjski naukowiec S.Ya.Sokolov opracował podstawy ultradźwiękowej detekcji wad w przemyśle. W 1937 roku niemiecki psychiatra Karl Dussik wraz ze swoim bratem Friedrichem, fizykiem, po raz pierwszy zastosowali ultradźwięki do wykrywania guzów mózgu, ale uzyskane wyniki były niewiarygodne. W diagnostyce medycznej ultrasonografię zaczęto stosować dopiero w latach 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych.

Zastosowanie ultradźwięków

Różne zastosowania ultradźwięków można podzielić na trzy obszary:

1. odbieranie informacji za pomocą ultradźwięków
2. wpływ na materię
3. przetwarzanie i transmisja sygnału

Zależność prędkości propagacji i tłumienia fal akustycznych od właściwości substancji i zachodzących w nich procesów wykorzystywana jest do:

• kontrola przebiegu reakcji chemicznych, przemian fazowych, polimeryzacji itp.
• wyznaczanie charakterystyk wytrzymałościowych i składu materiałów,
• określenie obecności zanieczyszczeń,
• określanie natężenia przepływu cieczy i gazów

Za pomocą ultradźwięków można myć, odstraszać gryzonie, stosować w medycynie, sprawdzać różne materiały pod kątem wad i wiele więcej.

Ultradźwięk

Ultradźwięk- drgania sprężyste o częstotliwości przekraczającej granicę słyszalności człowieka. Zwykle za zakres ultradźwięków uważa się częstotliwości powyżej 18 000 herców.

Chociaż istnienie ultradźwięków jest znane od dawna, ich praktyczne zastosowanie jest stosunkowo młode. Obecnie ultradźwięki są szeroko stosowane w różnych metodach fizycznych i technologicznych. Tak więc, zgodnie z prędkością propagacji dźwięku w ośrodku, ocenia się jego właściwości fizyczne. Pomiary prędkości przy częstotliwościach ultradźwiękowych pozwalają z bardzo małymi błędami określić np. charakterystyki adiabatyczne procesów szybkich, wartości ciepła właściwego gazów, stałe sprężystości ciał stałych.

Źródła ultradźwięków

Częstotliwość drgań ultradźwiękowych stosowanych w przemyśle i biologii mieści się w przedziale rzędu kilku MHz. Wibracje takie są zwykle wytwarzane za pomocą przetworników piezoceramicznych z tytanitu baru. W przypadkach, w których moc drgań ultradźwiękowych ma pierwszorzędne znaczenie, zwykle stosuje się mechaniczne źródła ultradźwięków. Początkowo wszystkie fale ultradźwiękowe odbierane były mechanicznie (kamertony, gwizdki, syreny).

W naturze US występuje zarówno jako składowe wielu naturalnych odgłosów (w szumie wiatru, wodospadu, deszczu, w szumie kamyczków toczonych przez fale morskie, w dźwiękach towarzyszących wyładowaniom atmosferycznym itp.), jak i wśród dźwięków świata zwierząt. Niektóre zwierzęta wykorzystują fale ultradźwiękowe do wykrywania przeszkód, orientacji w przestrzeni.

Emitery ultradźwięków można podzielić na dwie duże grupy. Pierwsza obejmuje emitery-generatory; oscylacje w nich są wzbudzane z powodu obecności przeszkód na ścieżce stałego przepływu - strumienia gazu lub cieczy. Druga grupa emiterów - przetworniki elektroakustyczne; przekształcają zadane już wahania napięcia lub prądu elektrycznego w drgania mechaniczne ciała stałego, które emituje do otoczenia fale akustyczne.

Gwizdek Galtona

Pierwszy gwizdek ultradźwiękowy wykonał w 1883 roku Anglik Galton. Ultradźwięki powstają tutaj jak piskliwy dźwięk na ostrzu noża, gdy uderza w niego strumień powietrza. Rolę takiej końcówki w gwizdku Galtona pełni „warga” w małej cylindrycznej wnęce rezonansowej. Gaz pod wysokim ciśnieniem przechodzący przez wydrążony cylinder uderza w tę „wargę”; występują oscylacje, których częstotliwość (wynosi około 170 kHz) jest określona przez rozmiar dyszy i warg. Moc gwizdka Galtona jest niska. Służy głównie do wydawania komend podczas szkolenia psów i kotów.

Płynny gwizdek ultradźwiękowy

Większość gwizdków ultradźwiękowych można przystosować do pracy w ośrodku płynnym. W porównaniu z elektrycznymi źródłami ultradźwięków płynne gwizdki ultradźwiękowe mają małą moc, ale czasami, np. do homogenizacji ultradźwiękowej, mają znaczną przewagę. Ponieważ fale ultradźwiękowe powstają bezpośrednio w ośrodku ciekłym, nie ma utraty energii fal ultradźwiękowych podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego. Być może najbardziej udany jest projekt ciekłego gwizdka ultradźwiękowego, wykonany przez angielskich naukowców Kottela i Goodmana na początku lat pięćdziesiątych. W nim strumień płynu pod wysokim ciśnieniem wychodzi z eliptycznej dyszy i jest kierowany na stalową płytę. Różne modyfikacje tego projektu stały się dość powszechne w celu uzyskania jednorodnych mediów. Ze względu na prostotę i stabilność konstrukcji (zniszczona zostaje tylko oscylująca płyta) systemy te są trwałe i niedrogie.

Syrena

Innym rodzajem mechanicznych źródeł ultradźwięków jest syrena. Ma stosunkowo dużą moc i jest stosowany w wozach policyjnych i strażackich. Wszystkie syreny obrotowe składają się z komory zamkniętej od góry tarczą (stojanem), w której wykonano dużą ilość otworów. Tyle samo otworów znajduje się na dysku obracającym się wewnątrz komory - wirniku. Gdy wirnik się obraca, położenie otworów w nim okresowo pokrywa się z położeniem otworów na stojanie. Sprężone powietrze jest stale dostarczane do komory, które uchodzi z niej w tych krótkich chwilach, gdy otwory na wirniku i stojanie pokrywają się.

Głównym zadaniem przy produkcji syren jest po pierwsze wykonanie jak największej liczby otworów w wirniku, a po drugie osiągnięcie dużej prędkości obrotowej. Jednak w praktyce spełnienie obu tych wymagań jest bardzo trudne.

Ultradźwięki w przyrodzie

Zastosowanie ultradźwięków

Zastosowanie diagnostyczne ultradźwięków w medycynie (ultradźwięki)

Ze względu na dobrą propagację ultradźwięków w tkankach miękkich człowieka, względną nieszkodliwość w porównaniu z promieniami rentgenowskimi oraz łatwość użycia w porównaniu z rezonansem magnetycznym, ultradźwięki są szeroko stosowane do wizualizacji stanu narządów wewnętrznych człowieka, zwłaszcza jamy brzusznej i jama miednicy.

Terapeutyczne zastosowania ultradźwięków w medycynie

Oprócz szerokiego zastosowania do celów diagnostycznych (patrz USG), ultradźwięki są stosowane w medycynie jako środek terapeutyczny.

Ultradźwięki mają działanie:

• przeciwzapalne, wchłaniające
• przeciwbólowe, przeciwskurczowe
• kawitacyjne zwiększenie przepuszczalności skóry

Fonoforeza to metoda łączona, w której na tkanki oddziałuje się ultradźwiękami i wprowadza się nimi substancje lecznicze (zarówno leki, jak i pochodzenia naturalnego). Przewodnictwo substancji pod działaniem ultradźwięków jest spowodowane zwiększeniem przepuszczalności naskórka i gruczołów skórnych, błon komórkowych i ścian naczyń dla substancji o małej masie cząsteczkowej, zwłaszcza jonów minerałów bischofitowych. Wygoda ultrafonoforezy leków i substancji naturalnych:

• substancja lecznicza nie jest niszczona przez ultradźwięki
• synergizm działania ultradźwięków i substancji leczniczej

Wskazania do ultrafonoforezy bischofitowej: choroba zwyrodnieniowa stawów, osteochondroza, zapalenie stawów, zapalenie kaletki, zapalenie nadkłykcia, ostroga piętowa, stany po urazach narządu ruchu; Zapalenie nerwu, neuropatia, zapalenie korzonków nerwowych, nerwoból, uszkodzenie nerwów.

Aplikuje się bischofit-żel, a powierzchnię roboczą emitera wykorzystuje się do mikromasażu dotkniętego obszaru. Technika jest labilna, typowa dla ultrafonoforezy (przy UVF stawów, kręgosłupa intensywność w odcinku szyjnym wynosi 0,2-0,4 W/cm2, w odcinku piersiowym i lędźwiowym 0,4-0,6 W/cm2).

Cięcie metali za pomocą ultradźwięków

Na konwencjonalnych maszynach do cięcia metalu niemożliwe jest wywiercenie wąskiego otworu o złożonym kształcie w części metalowej, na przykład w kształcie pięcioramiennej gwiazdy. Za pomocą ultradźwięków jest to możliwe, wibrator magnetostrykcyjny może wiercić otwory o dowolnym kształcie. Dłuto ultradźwiękowe całkowicie zastępuje frezarkę. Jednocześnie takie dłuto jest znacznie prostsze niż frezarka oraz tańsza i szybsza jest obróbka nim części metalowych niż frezarką.

Ultradźwięki mogą nawet wykonać spiralne cięcie części metalowych, szkła, rubinu, diamentu. Zazwyczaj gwint jest najpierw wykonywany z miękkiego metalu, a następnie część jest utwardzana. Na maszynie ultradźwiękowej można wykonywać gwinty w już utwardzonym metalu oraz w najtwardszych stopach. To samo ze znaczkami. Zazwyczaj stempel jest hartowany po starannym wykończeniu. W maszynie ultradźwiękowej najbardziej złożoną obróbkę wykonuje ścierniwo (szmergiel, proszek korundowy) w polu fali ultradźwiękowej. Poruszające się w sposób ciągły w polu ultradźwięków cząstki stałego proszku wcinają się w obrabiany stop i wycinają otwór o takim samym kształcie jak dłuto.

Przygotowanie mieszanin z wykorzystaniem ultradźwięków

Ultradźwięki są szeroko stosowane do przygotowywania jednorodnych mieszanin (homogenizacja). Już w 1927 roku amerykańscy naukowcy Limus i Wood odkryli, że jeśli dwie niemieszające się ciecze (na przykład olej i woda) zostaną wlane do jednej zlewki i poddane działaniu ultradźwięków, w zlewce powstaje emulsja, czyli drobna zawiesina olej w wodzie. Takie emulsje odgrywają ważną rolę w przemyśle: są to lakiery, farby, produkty farmaceutyczne i kosmetyczne.

Zastosowanie ultradźwięków w biologii

Zdolność ultradźwięków do rozbijania błon komórkowych znalazła zastosowanie w badaniach biologicznych, np. w razie potrzeby do oddzielenia komórki od enzymów. Ultradźwięki są również wykorzystywane do niszczenia struktur wewnątrzkomórkowych, takich jak mitochondria i chloroplasty, w celu zbadania związku między ich strukturą a funkcją. Inne zastosowanie ultradźwięków w biologii wiąże się z ich zdolnością do indukowania mutacji. Badania przeprowadzone w Oksfordzie wykazały, że nawet ultradźwięki o niskim natężeniu mogą uszkodzić cząsteczkę DNA. Sztuczne celowe tworzenie mutacji odgrywa ważną rolę w hodowli roślin. Główną przewagą ultradźwięków nad innymi mutagenami (promieniami rentgenowskimi, ultrafioletowymi) jest to, że są niezwykle łatwe w obróbce.

Zastosowanie ultradźwięków do czyszczenia

Wykorzystanie ultradźwięków do czyszczenia mechanicznego opiera się na występowaniu różnych efektów nieliniowych w cieczy pod jej wpływem. Należą do nich kawitacja, prądy akustyczne, ciśnienie akustyczne. Główną rolę odgrywa kawitacja. Jego bąbelki, powstające i opadające w pobliżu zanieczyszczeń, niszczą je. Efekt ten jest znany jako erozja kawitacyjna. Wykorzystywane do tych celów ultradźwięki mają niskie częstotliwości i zwiększoną moc.

W warunkach laboratoryjnych i produkcyjnych do mycia drobnych części i przyborów stosowane są kąpiele ultradźwiękowe wypełnione rozpuszczalnikiem (wodą, alkoholem itp.). Czasami z ich pomocą nawet rośliny okopowe (ziemniaki, marchew, buraki itp.) Są zmywane z cząstek ziemi.

Zastosowanie ultradźwięków w pomiarach przepływów

Od lat 60. ubiegłego wieku w przemyśle stosuje się przepływomierze ultradźwiękowe do kontroli przepływu i rozliczania wody i chłodziwa.

Zastosowanie ultradźwięków w wykrywaniu wad

Ultradźwięki dobrze rozchodzą się w niektórych materiałach, co umożliwia wykorzystanie ich do ultradźwiękowej detekcji wad wyrobów wykonanych z tych materiałów. Ostatnio rozwinął się kierunek mikroskopii ultradźwiękowej, który umożliwia badanie przypowierzchniowej warstwy materiału z dobrą rozdzielczością.

spawanie ultradźwiękowe

Zgrzewanie ultradźwiękowe – zgrzewanie ciśnieniowe, przeprowadzane pod wpływem drgań ultradźwiękowych. Ten rodzaj spawania jest używany do łączenia części trudnych do nagrzania lub do łączenia różnych metali lub metali z mocnymi warstwami tlenków (aluminium, stale nierdzewne, rdzenie magnetyczne permaloy itp.). Tak więc spawanie ultradźwiękowe jest wykorzystywane w produkcji układów scalonych.

Zastosowanie ultradźwięków w galwanizacji

Ultradźwięki służą do intensyfikacji procesów galwanicznych oraz poprawy jakości powłok wytwarzanych metodą elektrochemiczną.

Ultradźwięk- sprężyste wibracje dźwiękowe o wysokiej częstotliwości. Ucho ludzkie odbiera fale sprężyste rozchodzące się w ośrodku z częstotliwością do około 16-20 kHz; wibracje o wyższej częstotliwości reprezentują ultradźwięki (poza słyszalnością). Zwykle za zakres ultradźwięków uważa się pasmo częstotliwości od 20 000 do miliarda Hz. Wibracje dźwiękowe o wyższej częstotliwości nazywane są hiperdźwiękami. W cieczach i ciałach stałych wibracje dźwiękowe mogą sięgać 1000 GHz

Chociaż naukowcy wiedzieli o istnieniu ultradźwięków od dawna, ich praktyczne zastosowanie w nauce, technice i przemyśle rozpoczęło się stosunkowo niedawno. Teraz ultradźwięki są szeroko stosowane w różnych dziedzinach fizyki, technologii, chemii i medycyny.

Źródła ultradźwięków

Częstotliwość mikrofalowych fal ultradźwiękowych stosowanych w przemyśle i biologii mieści się w przedziale rzędu kilku MHz. Skupianie takich wiązek odbywa się zwykle za pomocą specjalnych soczewek dźwiękowych i luster. Wiązkę ultradźwiękową o wymaganych parametrach można uzyskać za pomocą odpowiedniego przetwornika. Najpopularniejsze przetworniki ceramiczne wykonane są z tytanitu barowego. W przypadkach, gdy moc wiązki ultradźwiękowej ma pierwszorzędne znaczenie, zwykle stosuje się mechaniczne źródła ultradźwięków. Początkowo wszystkie fale ultradźwiękowe odbierane były mechanicznie (kamertony, gwizdki, syreny).

W przyrodzie US występuje zarówno jako składnik wielu naturalnych odgłosów (w szumie wiatru, wodospadu, deszczu, w szumie kamyczków toczonych przez fale morskie, w dźwiękach towarzyszących wyładowaniom atmosferycznym itp.), jak i wśród odgłosy świata zwierząt. Niektóre zwierzęta wykorzystują fale ultradźwiękowe do wykrywania przeszkód, orientacji w przestrzeni.

Emitery ultradźwięków można podzielić na dwie duże grupy. Pierwsza obejmuje emitery-generatory; oscylacje w nich są wzbudzane z powodu obecności przeszkód na ścieżce stałego przepływu - strumienia gazu lub cieczy. Druga grupa emiterów - przetworniki elektroakustyczne; zamieniają zadane już oscylacje napięcia lub prądu elektrycznego na drgania mechaniczne ciała stałego, które emitują do otoczenia fale akustyczne.Przykłady emiterów: gwizdek Galtona, gwizdek cieczowy i ultradźwiękowy, syrena.

Propagacja ultradźwięków.

Rozchodzenie się ultradźwięków to proces przemieszczania się w czasie i przestrzeni zaburzeń zachodzących w fali dźwiękowej.

Fala dźwiękowa rozchodzi się w substancji będącej w stanie gazowym, ciekłym lub stałym w tym samym kierunku, w którym przemieszczają się cząstki tej substancji, czyli powoduje odkształcenie ośrodka. Deformacja polega na tym, że dochodzi do sukcesywnego rozrzedzania i kompresji określonych objętości ośrodka, a odległość między dwoma sąsiednimi obszarami odpowiada długości fali ultradźwiękowej. Im większy właściwy opór akustyczny ośrodka, tym większy stopień zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka przy danej amplitudzie oscylacji.

Cząsteczki ośrodka zaangażowane w przenoszenie energii falowej oscylują wokół swojego położenia równowagi. Prędkość, z jaką cząstki oscylują wokół swojego średniego położenia równowagi, nazywa się oscylacyjnym

prędkość.

Dyfrakcja, interferencja

Podczas propagacji fal ultradźwiękowych możliwe są zjawiska dyfrakcji, interferencji i odbicia.

Dyfrakcja (fale uginające się wokół przeszkód) występuje, gdy długość fali ultradźwiękowej jest porównywalna (lub większa) z rozmiarem przeszkody na drodze. Jeśli przeszkoda jest duża w porównaniu z długością fali akustycznej, to zjawisko dyfrakcji nie występuje.

Przy równoczesnym ruchu kilku fal ultradźwiękowych w tkance w pewnym punkcie ośrodka może dojść do superpozycji tych fal. To nakładanie się fal na siebie jest zbiorczo nazywane interferencją. Jeśli fale ultradźwiękowe przecinają się podczas przechodzenia przez obiekt biologiczny, to w pewnym punkcie ośrodka biologicznego obserwuje się wzrost lub spadek oscylacji. Wynik interferencji będzie zależał od przestrzennej relacji faz drgań ultradźwiękowych w danym punkcie ośrodka. Jeżeli fale ultradźwiękowe docierają do pewnego obszaru ośrodka w tych samych fazach (w fazie), to przemieszczenia cząstek mają takie same znaki i interferencja w takich warunkach zwiększa amplitudę drgań ultradźwiękowych. Jeśli fale ultradźwiękowe docierają do określonego miejsca w przeciwfazie, to przemieszczaniu się cząstek będą towarzyszyć różne znaki, co prowadzi do zmniejszenia amplitudy drgań ultradźwiękowych.

Zakłócenia odgrywają ważną rolę w ocenie zjawisk zachodzących w tkankach wokół emitera ultradźwięków. Szczególne znaczenie mają zakłócenia w rozchodzeniu się fal ultradźwiękowych w przeciwnych kierunkach po ich odbiciu od przeszkody.

Absorpcja fal ultradźwiękowych

Jeśli ośrodek, w którym rozchodzi się ultradźwięk, ma lepkość i przewodnictwo cieplne lub zachodzą w nim inne procesy tarcia wewnętrznego, to podczas rozchodzenia się fali dźwięk jest pochłaniany, to znaczy, gdy oddala się od źródła, amplituda drgań ultradźwiękowych stają się mniejsze, podobnie jak energia, którą niosą. Ośrodek, w którym rozchodzi się ultradźwięk, oddziałuje z przechodzącą przez nie energią i częściowo ją pochłania. Przeważająca część pochłoniętej energii zamienia się w ciepło, mniejsza część powoduje nieodwracalne zmiany strukturalne w substancji przenoszącej. Absorpcja jest wynikiem tarcia cząstek o siebie, w różnych ośrodkach jest różna. Absorpcja zależy również od częstotliwości drgań ultradźwiękowych. Teoretycznie absorpcja jest proporcjonalna do kwadratu częstotliwości.

Wartość absorpcji można scharakteryzować współczynnikiem absorpcji, który pokazuje, jak zmienia się intensywność ultradźwięków w naświetlanym ośrodku. Wzrasta wraz z częstotliwością. Intensywność drgań ultradźwiękowych w ośrodku maleje wykładniczo. Proces ten wynika z tarcia wewnętrznego, przewodności cieplnej ośrodka chłonnego oraz jego struktury. Wstępnie charakteryzuje się ona wielkością warstwy półabsorbującej, która pokazuje, na jakiej głębokości intensywność oscylacji zmniejsza się o połowę (dokładniej o 2,718 razy, czyli o 63%). Według Palmana przy częstotliwości 0,8 MHz średnie wartości warstwy półabsorpcyjnej dla niektórych tkanek wynoszą: tkanka tłuszczowa - 6,8 cm; muskularny - 3,6 cm; tkanka tłuszczowa i mięśniowa razem - 4,9 cm Wraz ze wzrostem częstotliwości ultradźwięków zmniejsza się wartość warstwy półabsorpcyjnej. Tak więc przy częstotliwości 2,4 MHz intensywność ultradźwięków przechodzących przez tkankę tłuszczową i mięśniową zmniejsza się o połowę na głębokości 1,5 cm.

Ponadto możliwa jest anomalna absorpcja energii drgań ultradźwiękowych w określonych zakresach częstotliwości – zależy to od charakterystyki budowy molekularnej danej tkanki. Wiadomo, że 2/3 energii ultradźwięków jest tłumione na poziomie molekularnym, a 1/3 na poziomie mikroskopowych struktur tkankowych.

Głębokość penetracji fal ultradźwiękowych

Pod głębokością penetracji ultradźwięków rozumie się głębokość, na której intensywność zmniejsza się o połowę. Wartość ta jest odwrotnie proporcjonalna do absorpcji: im silniej ośrodek pochłania ultradźwięki, tym mniejsza jest odległość, przy której intensywność ultradźwięków ulega osłabieniu o połowę.

Rozpraszanie fal ultradźwiękowych

Jeśli w ośrodku występują niejednorodności, wówczas następuje rozpraszanie dźwięku, które może znacząco zmienić prosty wzorzec propagacji ultradźwięków, a ostatecznie również spowodować tłumienie fali w pierwotnym kierunku propagacji.

Załamanie fal ultradźwiękowych

Ponieważ opór akustyczny tkanek miękkich człowieka niewiele różni się od oporu wody, można przypuszczać, że załamanie fal ultradźwiękowych będzie obserwowane na styku ośrodków (naskórek - skóra właściwa - powięź - mięsień).

Odbicie fal ultradźwiękowych

Diagnostyka ultrasonograficzna opiera się na zjawisku odbicia. Odbicie występuje w obszarach granicznych skóry i tłuszczu, tłuszczu i mięśni, mięśni i kości. Jeśli ultradźwięki napotkają przeszkodę podczas propagacji, następuje odbicie, jeśli przeszkoda jest mała, to ultradźwięki niejako opływają ją wokół. Niejednorodności ciała nie powodują znacznych odchyleń, ponieważ w porównaniu z długością fali (2 mm) ich wymiary (0,1-0,2 mm) można pominąć. Jeśli ultradźwięki na swojej drodze napotkają narządy większe niż długość fali, następuje załamanie i odbicie ultradźwięków. Najsilniejsze odbicie obserwuje się na granicach kość - otaczające tkanki i tkanki - powietrze. Powietrze ma małą gęstość i obserwuje się prawie całkowite odbicie ultradźwięków. Odbicie fal ultradźwiękowych obserwuje się na granicy mięsień – okostna – kość, na powierzchni narządów jamistych.

Wędrujące i stojące fale ultradźwiękowe

Jeśli podczas propagacji fal ultradźwiękowych w ośrodku nie zostaną one odbite, powstają fale biegnące. W wyniku strat energii ruchy oscylacyjne cząstek ośrodka stopniowo zanikają, a im dalej cząstki znajdują się od powierzchni promieniującej, tym mniejsza jest amplituda ich oscylacji. Jeżeli na drodze propagacji fal ultradźwiękowych znajdują się tkanki o różnych oporach akustycznych właściwych, to fale ultradźwiękowe odbijają się w pewnym stopniu od odcinka granicznego. Superpozycja padających i odbitych fal ultradźwiękowych może prowadzić do powstania fal stojących. Aby pojawiły się fale stojące, odległość od powierzchni emitera do powierzchni odbijającej musi być wielokrotnością połowy długości fali.

Ultradźwięk

Ultradźwięk- drgania sprężyste o częstotliwości przekraczającej granicę słyszalności człowieka. Zwykle za zakres ultradźwięków uważa się częstotliwości powyżej 18 000 herców.

Chociaż istnienie ultradźwięków jest znane od dawna, ich praktyczne zastosowanie jest stosunkowo młode. Obecnie ultradźwięki są szeroko stosowane w różnych metodach fizycznych i technologicznych. Tak więc, zgodnie z prędkością propagacji dźwięku w ośrodku, ocenia się jego właściwości fizyczne. Pomiary prędkości przy częstotliwościach ultradźwiękowych pozwalają z bardzo małymi błędami określić np. charakterystyki adiabatyczne procesów szybkich, wartości ciepła właściwego gazów, stałe sprężystości ciał stałych.

Źródła ultradźwięków

Częstotliwość drgań ultradźwiękowych stosowanych w przemyśle i biologii mieści się w przedziale rzędu kilku MHz. Wibracje takie są zwykle wytwarzane za pomocą przetworników piezoceramicznych z tytanitu baru. W przypadkach, w których moc drgań ultradźwiękowych ma pierwszorzędne znaczenie, zwykle stosuje się mechaniczne źródła ultradźwięków. Początkowo wszystkie fale ultradźwiękowe odbierane były mechanicznie (kamertony, gwizdki, syreny).

W naturze US występuje zarówno jako składowe wielu naturalnych odgłosów (w szumie wiatru, wodospadu, deszczu, w szumie kamyczków toczonych przez fale morskie, w dźwiękach towarzyszących wyładowaniom atmosferycznym itp.), jak i wśród dźwięków świata zwierząt. Niektóre zwierzęta wykorzystują fale ultradźwiękowe do wykrywania przeszkód, orientacji w przestrzeni.

Emitery ultradźwięków można podzielić na dwie duże grupy. Pierwsza obejmuje emitery-generatory; oscylacje w nich są wzbudzane z powodu obecności przeszkód na ścieżce stałego przepływu - strumienia gazu lub cieczy. Druga grupa emiterów - przetworniki elektroakustyczne; przekształcają zadane już wahania napięcia lub prądu elektrycznego w drgania mechaniczne ciała stałego, które emituje do otoczenia fale akustyczne.

Gwizdek Galtona

Pierwszy gwizdek ultradźwiękowy wykonał w 1883 roku Anglik Galton. Ultradźwięki powstają tutaj jak piskliwy dźwięk na ostrzu noża, gdy uderza w niego strumień powietrza. Rolę takiej końcówki w gwizdku Galtona pełni „warga” w małej cylindrycznej wnęce rezonansowej. Gaz pod wysokim ciśnieniem przechodzący przez wydrążony cylinder uderza w tę „wargę”; występują oscylacje, których częstotliwość (wynosi około 170 kHz) jest określona przez rozmiar dyszy i warg. Moc gwizdka Galtona jest niska. Służy głównie do wydawania komend podczas szkolenia psów i kotów.

Płynny gwizdek ultradźwiękowy

Większość gwizdków ultradźwiękowych można przystosować do pracy w ośrodku płynnym. W porównaniu z elektrycznymi źródłami ultradźwięków płynne gwizdki ultradźwiękowe mają małą moc, ale czasami, np. do homogenizacji ultradźwiękowej, mają znaczną przewagę. Ponieważ fale ultradźwiękowe powstają bezpośrednio w ośrodku ciekłym, nie ma utraty energii fal ultradźwiękowych podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego. Być może najbardziej udany jest projekt ciekłego gwizdka ultradźwiękowego, wykonany przez angielskich naukowców Kottela i Goodmana na początku lat pięćdziesiątych. W nim strumień płynu pod wysokim ciśnieniem wychodzi z eliptycznej dyszy i jest kierowany na stalową płytę. Różne modyfikacje tego projektu stały się dość powszechne w celu uzyskania jednorodnych mediów. Ze względu na prostotę i stabilność konstrukcji (zniszczona zostaje tylko oscylująca płyta) systemy te są trwałe i niedrogie.

Syrena

Innym rodzajem mechanicznych źródeł ultradźwięków jest syrena. Ma stosunkowo dużą moc i jest stosowany w wozach policyjnych i strażackich. Wszystkie syreny obrotowe składają się z komory zamkniętej od góry tarczą (stojanem), w której wykonano dużą ilość otworów. Tyle samo otworów znajduje się na dysku obracającym się wewnątrz komory - wirniku. Gdy wirnik się obraca, położenie otworów w nim okresowo pokrywa się z położeniem otworów na stojanie. Sprężone powietrze jest stale dostarczane do komory, które uchodzi z niej w tych krótkich chwilach, gdy otwory na wirniku i stojanie pokrywają się.

Głównym zadaniem przy produkcji syren jest po pierwsze wykonanie jak największej liczby otworów w wirniku, a po drugie osiągnięcie dużej prędkości obrotowej. Jednak w praktyce spełnienie obu tych wymagań jest bardzo trudne.

Ultradźwięki w przyrodzie

Zastosowanie ultradźwięków

Zastosowanie diagnostyczne ultradźwięków w medycynie (ultradźwięki)

Ze względu na dobrą propagację ultradźwięków w tkankach miękkich człowieka, względną nieszkodliwość w porównaniu z promieniami rentgenowskimi oraz łatwość użycia w porównaniu z rezonansem magnetycznym, ultradźwięki są szeroko stosowane do wizualizacji stanu narządów wewnętrznych człowieka, zwłaszcza jamy brzusznej i jama miednicy.

Terapeutyczne zastosowania ultradźwięków w medycynie

Oprócz szerokiego zastosowania do celów diagnostycznych (patrz USG), ultradźwięki są stosowane w medycynie jako środek terapeutyczny.

Ultradźwięki mają działanie:

• przeciwzapalne, wchłaniające
• przeciwbólowe, przeciwskurczowe
• kawitacyjne zwiększenie przepuszczalności skóry

Fonoforeza to metoda łączona, w której na tkanki oddziałuje się ultradźwiękami i wprowadza się nimi substancje lecznicze (zarówno leki, jak i pochodzenia naturalnego). Przewodnictwo substancji pod działaniem ultradźwięków jest spowodowane zwiększeniem przepuszczalności naskórka i gruczołów skórnych, błon komórkowych i ścian naczyń dla substancji o małej masie cząsteczkowej, zwłaszcza jonów minerałów bischofitowych. Wygoda ultrafonoforezy leków i substancji naturalnych:

• substancja lecznicza nie jest niszczona przez ultradźwięki
• synergizm działania ultradźwięków i substancji leczniczej

Wskazania do ultrafonoforezy bischofitu: choroba zwyrodnieniowa stawów, osteochondroza, zapalenie stawów, zapalenie kaletki, zapalenie nadkłykcia, ostroga piętowa, stany po urazach narządu ruchu; Zapalenie nerwu, neuropatia, zapalenie korzonków nerwowych, nerwoból, uszkodzenie nerwów.

Aplikuje się bischofit-żel, a powierzchnię roboczą emitera wykorzystuje się do mikromasażu dotkniętego obszaru. Technika jest labilna, typowa dla ultrafonoforezy (przy UVF stawów, kręgosłupa intensywność w odcinku szyjnym wynosi 0,2-0,4 W/cm2, w odcinku piersiowym i lędźwiowym 0,4-0,6 W/cm2).

Cięcie metali za pomocą ultradźwięków

Na konwencjonalnych maszynach do cięcia metalu niemożliwe jest wywiercenie wąskiego otworu o złożonym kształcie w części metalowej, na przykład w kształcie pięcioramiennej gwiazdy. Za pomocą ultradźwięków jest to możliwe, wibrator magnetostrykcyjny może wiercić otwory o dowolnym kształcie. Dłuto ultradźwiękowe całkowicie zastępuje frezarkę. Jednocześnie takie dłuto jest znacznie prostsze niż frezarka oraz tańsza i szybsza jest obróbka nim części metalowych niż frezarką.

Ultradźwięki mogą nawet wykonać spiralne cięcie części metalowych, szkła, rubinu, diamentu. Zazwyczaj gwint jest najpierw wykonywany z miękkiego metalu, a następnie część jest utwardzana. Na maszynie ultradźwiękowej można wykonywać gwinty w już utwardzonym metalu oraz w najtwardszych stopach. To samo ze znaczkami. Zazwyczaj stempel jest hartowany po starannym wykończeniu. W maszynie ultradźwiękowej najbardziej złożoną obróbkę wykonuje ścierniwo (szmergiel, proszek korundowy) w polu fali ultradźwiękowej. Poruszające się w sposób ciągły w polu ultradźwięków cząstki stałego proszku wcinają się w obrabiany stop i wycinają otwór o takim samym kształcie jak dłuto.

Przygotowanie mieszanin z wykorzystaniem ultradźwięków

Ultradźwięki są szeroko stosowane do przygotowywania jednorodnych mieszanin (homogenizacja). Już w 1927 roku amerykańscy naukowcy Limus i Wood odkryli, że jeśli dwie niemieszające się ciecze (na przykład olej i woda) zostaną wlane do jednej zlewki i poddane działaniu ultradźwięków, w zlewce powstaje emulsja, czyli drobna zawiesina olej w wodzie. Takie emulsje odgrywają ważną rolę w przemyśle: są to lakiery, farby, produkty farmaceutyczne i kosmetyczne.

Zastosowanie ultradźwięków w biologii

Zdolność ultradźwięków do rozbijania błon komórkowych znalazła zastosowanie w badaniach biologicznych, np. w razie potrzeby do oddzielenia komórki od enzymów. Ultradźwięki są również wykorzystywane do niszczenia struktur wewnątrzkomórkowych, takich jak mitochondria i chloroplasty, w celu zbadania związku między ich strukturą a funkcją. Inne zastosowanie ultradźwięków w biologii wiąże się z ich zdolnością do indukowania mutacji. Badania przeprowadzone w Oksfordzie wykazały, że nawet ultradźwięki o niskim natężeniu mogą uszkodzić cząsteczkę DNA. Sztuczne celowe tworzenie mutacji odgrywa ważną rolę w hodowli roślin. Główną przewagą ultradźwięków nad innymi mutagenami (promieniami rentgenowskimi, ultrafioletowymi) jest to, że są niezwykle łatwe w obróbce.

Zastosowanie ultradźwięków do czyszczenia

Wykorzystanie ultradźwięków do czyszczenia mechanicznego opiera się na występowaniu różnych efektów nieliniowych w cieczy pod jej wpływem. Należą do nich kawitacja, prądy akustyczne, ciśnienie akustyczne. Główną rolę odgrywa kawitacja. Jego bąbelki, powstające i opadające w pobliżu zanieczyszczeń, niszczą je. Efekt ten jest znany jako erozja kawitacyjna. Wykorzystywane do tych celów ultradźwięki mają niskie częstotliwości i zwiększoną moc.

W warunkach laboratoryjnych i produkcyjnych do mycia drobnych części i przyborów stosowane są kąpiele ultradźwiękowe wypełnione rozpuszczalnikiem (wodą, alkoholem itp.). Czasami z ich pomocą nawet rośliny okopowe (ziemniaki, marchew, buraki itp.) Są zmywane z cząstek ziemi.

Zastosowanie ultradźwięków w pomiarach przepływów

Od lat 60. ubiegłego wieku w przemyśle stosuje się przepływomierze ultradźwiękowe do kontroli przepływu i rozliczania wody i chłodziwa.

Zastosowanie ultradźwięków w wykrywaniu wad

Ultradźwięki dobrze rozchodzą się w niektórych materiałach, co umożliwia wykorzystanie ich do ultradźwiękowej detekcji wad wyrobów wykonanych z tych materiałów. Ostatnio rozwinął się kierunek mikroskopii ultradźwiękowej, który umożliwia badanie przypowierzchniowej warstwy materiału z dobrą rozdzielczością.

spawanie ultradźwiękowe

Zgrzewanie ultradźwiękowe – zgrzewanie ciśnieniowe, przeprowadzane pod wpływem drgań ultradźwiękowych. Ten rodzaj spawania jest używany do łączenia części trudnych do nagrzania lub do łączenia różnych metali lub metali z mocnymi warstwami tlenków (aluminium, stale nierdzewne, rdzenie magnetyczne permaloy itp.). Jest to wykorzystywane do produkcji układów scalonych.

Rosyjska encyklopedia ochrony pracy

Fale sprężyste o częstotliwości ok. (1,5 2) 104 Hz (15 20 kHz) do 109 Hz (1 GHz); nazywa się zakres częstotliwości U. od 109 do 1012 1013 Hz. naddźwiękowy. Zakres częstotliwości U. jest wygodnie podzielony na trzy zakresy: U. niskie częstotliwości (1,5 104 105 Hz), U. ... ... Encyklopedia fizyczna

ULTRADŹWIĘKI, fale sprężyste niesłyszalne dla ludzkiego ucha, których częstotliwość przekracza 20 kHz. Ultradźwięki zawarte są w szumie wiatru i morza, są emitowane i odbierane przez wiele zwierząt (nietoperze, delfiny, ryby, owady itp.), są obecne w hałasie... ... Współczesna encyklopedia

Fale sprężyste, które są niesłyszalne dla ludzkiego ucha i których częstotliwość przekracza 20 kHz. Ultradźwięki zawarte są w szumie wiatru i morza, są emitowane i odbierane przez wiele zwierząt (nietoperze, ryby, owady itp.), są obecne w hałasie samochodów. Wykorzystane w…… Wielki słownik encyklopedyczny

Fale sprężyste o częstotliwości oscylacji od 20 kHz do 1 GHz. Najważniejsze obszary zastosowań ultradźwięków to sonar, sonar, nawigacja, broń samonaprowadzająca, badania głębinowe itp. EdwART. Wyjaśniający słownik marynarki wojennej, 2010 ... Słownik morski

Ultradźwięk- drgania sprężyste i fale o częstotliwościach powyżej zakresu słyszalności człowieka...

XXI wiek to wiek radioelektroniki, atomu, eksploracji kosmosu i ultradźwięków. Nauka o ultradźwiękach jest dziś stosunkowo młoda. Pod koniec XIX wieku swoje pierwsze badania przeprowadził rosyjski fizjolog P. N. Lebiediew. Następnie wielu wybitnych naukowców zaczęło badać ultradźwięki.

Co to jest ultradźwięki?

Ultradźwięki to rozchodzący się falujący ruch oscylacyjny, który wykonują cząstki ośrodka. Ma swoją własną charakterystykę, w której różni się od dźwięków zakresu słyszalnego. Stosunkowo łatwo jest uzyskać ukierunkowane promieniowanie w zakresie ultradźwięków. Ponadto jest dobrze skupiony, w wyniku czego zwiększa się intensywność wykonywanych oscylacji. Rozchodząc się w ciałach stałych, cieczach i gazach, ultradźwięki dają początek ciekawym zjawiskom, które znalazły praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki i nauki. Tym właśnie jest ultradźwięk, którego rola w różnych dziedzinach życia jest dziś bardzo duża.

Rola ultradźwięków w nauce i praktyce

W ostatnich latach ultradźwięki zaczęły odgrywać coraz ważniejszą rolę w badaniach naukowych. Z powodzeniem przeprowadzono badania eksperymentalne i teoretyczne w zakresie przepływów akustycznych i kawitacji ultradźwiękowej, co pozwoliło naukowcom opracować procesy technologiczne zachodzące pod wpływem działania ultradźwięków w fazie ciekłej. Jest to potężna metoda badania różnych zjawisk w takiej dziedzinie wiedzy jak fizyka. Ultradźwięki są wykorzystywane na przykład w fizyce półprzewodników i ciała stałego. Dziś tworzy się odrębna gałąź chemii, zwana „chemią ultradźwiękową”. Jego zastosowanie pozwala na przyspieszenie wielu procesów chemiczno-technologicznych. Narodziła się także akustyka molekularna - nowy dział akustyki zajmujący się badaniem oddziaływań molekularnych z materią. Pojawiły się nowe obszary zastosowań ultradźwięków: holografia, introskopia, akustoelektronika, ultradźwiękowy pomiar fazy, akustyka kwantowa.

Oprócz prac eksperymentalnych i teoretycznych w tej dziedzinie wykonano dziś wiele prac praktycznych. Opracowano specjalne i uniwersalne maszyny ultradźwiękowe, instalacje pracujące w podwyższonym ciśnieniu statycznym itp. Wprowadzono do produkcji automatyczne instalacje ultradźwiękowe wchodzące w skład linii produkcyjnych, które mogą znacznie zwiększyć wydajność pracy.

Więcej o ultradźwiękach

Porozmawiajmy więcej o tym, czym jest ultradźwięki. Mówiliśmy już, że są to fale sprężyste, a ultradźwięki to powyżej 15-20 kHz. Subiektywne właściwości naszego słuchu wyznaczają dolną granicę częstotliwości ultradźwiękowych, która oddziela ją od częstotliwości dźwięku słyszalnego. Ta granica jest więc umowna, a każdy z nas inaczej definiuje, czym jest ultradźwięk. Górna granica jest wskazywana przez fale sprężyste, ich fizyczną naturę. Rozchodzą się tylko w ośrodku materialnym, to znaczy długość fali musi być znacznie większa niż średnia droga swobodna cząsteczek obecnych w gazie lub odległości międzyatomowe w ciałach stałych i cieczach. Przy normalnym ciśnieniu w gazach górna granica częstotliwości ultradźwiękowych wynosi 10 9 Hz, aw ciałach stałych i cieczach - 10 12 -10 13 Hz.

Źródła ultradźwięków

Ultradźwięki występują w przyrodzie zarówno jako składnik wielu naturalnych odgłosów (wodospad, wiatr, deszcz, kamyki toczone przez fale, a także w dźwiękach towarzyszących wyładowaniom burzowym itp.), jak i jako integralna część świata zwierzęcego. Niektóre gatunki zwierząt używają go do orientacji w przestrzeni, wykrywania przeszkód. Wiadomo również, że delfiny w naturze wykorzystują ultradźwięki (głównie częstotliwości od 80 do 100 kHz). W takim przypadku moc emitowanych przez nie sygnałów lokalizacyjnych może być bardzo duża. Wiadomo, że delfiny są w stanie wykryć ławice ryb w odległości do kilometra od nich.

Emitery (źródła) ultradźwięków dzielą się na 2 duże grupy. Pierwszym z nich są generatory, w których oscylacje są wzbudzane z powodu obecności w nich przeszkód zainstalowanych na ścieżce stałego przepływu - strumienia cieczy lub gazu. Drugą grupą, w którą można łączyć źródła ultradźwięków, są przetworniki elektroakustyczne, które przetwarzają określone wahania prądu lub napięcia elektrycznego na drgania mechaniczne wytwarzane przez ciało stałe emitujące fale akustyczne do otoczenia.

Odbiorniki ultradźwięków

W odbiornikach średnich i ultradźwiękowych przetworniki elektroakustyczne są najczęściej typu piezoelektrycznego. Potrafią odtworzyć postać odbieranego sygnału akustycznego, reprezentowaną jako zależność ciśnienia akustycznego od czasu. Urządzenia mogą być szerokopasmowe lub rezonansowe, w zależności od warunków zastosowania, dla których są przeznaczone. Odbiorniki termiczne służą do uzyskiwania uśrednionych w czasie charakterystyk pola akustycznego. Są to termistory lub termopary pokryte substancją dźwiękochłonną. Ciśnienie i intensywność dźwięku można również oszacować metodami optycznymi, takimi jak dyfrakcja światła za pomocą ultradźwięków.

Gdzie stosuje się ultradźwięki?

Obszarów jego zastosowania jest wiele, przy wykorzystaniu różnych właściwości ultradźwięków. Obszary te można z grubsza podzielić na trzy obszary. Pierwsza z nich związana jest z pozyskiwaniem różnych informacji za pomocą fal ultradźwiękowych. Drugi kierunek to jego aktywny wpływ na substancję. A trzeci związany jest z transmisją i przetwarzaniem sygnałów. W każdym przypadku używana jest specyficzna dla USA. Omówimy tylko kilka z wielu obszarów, w których znalazła zastosowanie.

Czyszczenie ultradźwiękowe

Jakości takiego czyszczenia nie da się porównać z innymi metodami. Na przykład podczas płukania części na ich powierzchni pozostaje do 80% zanieczyszczeń, około 55% - przy czyszczeniu wibracyjnym, około 20% - przy czyszczeniu ręcznym, a przy czyszczeniu ultradźwiękowym pozostaje nie więcej niż 0,5% zanieczyszczeń. Detale o złożonym kształcie można dobrze wyczyścić tylko za pomocą ultradźwięków. Ważną zaletą jej stosowania jest wysoka wydajność, a także niskie koszty pracy fizycznej. Ponadto istnieje możliwość zastąpienia drogich i łatwopalnych rozpuszczalników organicznych tanimi i bezpiecznymi roztworami wodnymi, stosowanie płynnego freonu itp.

Poważnym problemem jest zanieczyszczenie powietrza sadzą, dymem, kurzem, tlenkami metali itp. Ultradźwiękową metodę oczyszczania powietrza i gazu w wylotach gazu można stosować niezależnie od wilgotności i temperatury otoczenia. Jeśli emiter ultradźwięków zostanie umieszczony w osadniku pyłu, jego wydajność wzrośnie setki razy. Jaka jest istota takiego oczyszczenia? Cząsteczki pyłu poruszające się losowo w powietrzu uderzają w siebie silniej i częściej pod wpływem drgań ultradźwiękowych. Jednocześnie ich rozmiar wzrasta ze względu na to, że się łączą. Koagulacja to proces powiększania cząstek. Ich wyważone i powiększone nagromadzenia wyłapywane są przez specjalne filtry.

Obróbka materiałów kruchych i supertwardych

Jeśli wejdziesz między przedmiot obrabiany a powierzchnię roboczą narzędzia, które wykorzystuje ultradźwięki, cząstki ścierne podczas pracy emitera będą oddziaływać na powierzchnię tej części. W tym przypadku materiał jest niszczony i usuwany, poddawany obróbce pod działaniem różnorodnych ukierunkowanych mikrouderzeń. Na kinematykę obróbki składa się ruch główny – skrawanie, czyli drgania wzdłużne wykonywane przez narzędzie, oraz pomocniczy – ruch posuwowy, który wykonuje aparat.

Ultradźwięki mogą wykonywać różne zadania. Dla ziaren ściernych źródłem energii są drgania wzdłużne. Niszczą obrabiany materiał. Ruch posuwu (pomocniczy) może być kołowy, poprzeczny i wzdłużny. Przetwarzanie ultradźwiękowe ma dużą precyzję. W zależności od wielkości ziarna ścierniwa wynosi od 50 do 1 mikrona. Za pomocą narzędzi o różnych kształtach można wykonywać nie tylko otwory, ale także skomplikowane nacięcia, zakrzywione osie, grawerować, szlifować, wykonywać matryce, a nawet wiercić diament. Materiały stosowane jako ścierniwo to korund, diament, piasek kwarcowy, krzemień.

Ultradźwięki w elektronice radiowej

Ultradźwięki w inżynierii są często wykorzystywane w dziedzinie elektroniki radiowej. W tym obszarze często zachodzi konieczność opóźnienia sygnału elektrycznego w stosunku do innego. Naukowcy znaleźli dobre rozwiązanie, sugerując użycie ultradźwiękowych linii opóźniających (w skrócie LZ). Ich działanie polega na tym, że impulsy elektryczne zamieniają się w ultradźwięki.Jak to się dzieje? Faktem jest, że prędkość ultradźwięków jest znacznie mniejsza niż rozwinięta Impuls napięciowy po odwrotnej przemianie w oscylacje elektromechaniczne będzie opóźniony na wyjściu linii w stosunku do impulsu wejściowego.

Przetworniki piezoelektryczne i magnetostrykcyjne służą do przetwarzania drgań elektrycznych na mechaniczne i odwrotnie. LZ odpowiednio dzielą się na piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.

Ultradźwięki w medycynie

Do oddziaływania na żywe organizmy wykorzystuje się różnego rodzaju ultradźwięki. W praktyce medycznej jego stosowanie jest obecnie bardzo popularne. Opiera się na efektach zachodzących w tkankach biologicznych, gdy ultradźwięki przez nie przechodzą. Fale powodują fluktuacje w cząsteczkach ośrodka, co tworzy rodzaj mikromasażu tkankowego. Absorpcja ultradźwięków prowadzi do ich lokalnego ogrzewania. Jednocześnie w ośrodkach biologicznych zachodzą pewne przemiany fizykochemiczne. Zjawiska te nie powodują nieodwracalnych uszkodzeń w przypadku umiarkowanego natężenia dźwięku. Poprawiają jedynie przemianę materii, a więc przyczyniają się do aktywności życiowej narażonego na nie organizmu. Zjawiska takie wykorzystywane są w terapii ultradźwiękowej.

Ultradźwięki w chirurgii

Kawitacja i silne nagrzewanie przy dużej intensywności prowadzi do zniszczenia tkanki. Efekt ten jest dziś wykorzystywany w chirurgii. Do operacji chirurgicznych wykorzystuje się skupione ultradźwięki, które pozwalają na miejscową destrukcję w najgłębszych strukturach (np. mózgu), bez uszkadzania otaczających. W chirurgii stosuje się również instrumenty ultradźwiękowe, w których końcówka robocza wygląda jak pilnik, skalpel, igła. Nałożone na nie wibracje nadają tym instrumentom nowych jakości. Wymagana siła jest znacznie zmniejszona, dlatego traumatyzm operacji jest zmniejszony. Ponadto objawia się działanie przeciwbólowe i hemostatyczne. Uderzenie tępym narzędziem za pomocą ultradźwięków służy do niszczenia niektórych rodzajów nowotworów, które pojawiły się w organizmie.

Oddziaływanie na tkanki biologiczne ma na celu zniszczenie mikroorganizmów i jest wykorzystywane w procesach sterylizacji leków i narzędzi medycznych.

Badanie narządów wewnętrznych

Zasadniczo mówimy o badaniu jamy brzusznej. W tym celu stosuje się specjalną aparaturę. Ultradźwięki mogą być wykorzystywane do znajdowania i rozpoznawania różnych anomalii tkankowych i anatomicznych. Zadanie często wygląda następująco: istnieje podejrzenie formacji złośliwej i wymagane jest odróżnienie jej od formacji łagodnej lub zakaźnej.

Ultradźwięki są przydatne w badaniu wątroby oraz do innych zadań, do których należy wykrywanie niedrożności i chorób dróg żółciowych, a także badanie pęcherzyka żółciowego pod kątem obecności w nim kamieni i innych patologii. Ponadto można zastosować badania w kierunku marskości wątroby i innych rozlanych łagodnych chorób wątroby.

W dziedzinie ginekologii, zwłaszcza w analizie jajników i macicy, zastosowanie ultradźwięków od dawna jest głównym kierunkiem, w którym jest przeprowadzane ze szczególnym powodzeniem. Często potrzebne jest tutaj również różnicowanie formacji łagodnych i złośliwych, co zwykle wymaga najlepszego kontrastu i rozdzielczości przestrzennej. Podobne wnioski mogą być przydatne w badaniu wielu innych narządów wewnętrznych.

Zastosowanie ultradźwięków w stomatologii

Ultradźwięki trafiły również do stomatologii, gdzie wykorzystuje się je do usuwania kamienia nazębnego. Pozwala szybko, bezkrwawo i bezboleśnie usunąć płytkę nazębną i kamień. Jednocześnie błona śluzowa jamy ustnej nie jest uszkodzona, a „kieszenie” jamy ustnej są dezynfekowane. Zamiast bólu pacjent odczuwa ciepło.

Jeśli ciało oscyluje w elastycznym ośrodku szybciej, niż ośrodek ma czas opłynąć je, to albo ściska, albo rozrzedza ośrodek swoim ruchem. Warstwy wysokiego i niskiego ciśnienia rozpraszają się od oscylującego ciała we wszystkich kierunkach i tworzą fale dźwiękowe. Jeśli wibracje ciała, które tworzy falę, następują po sobie nie mniej niż 16 razy na sekundę, nie więcej niż 18 tysięcy razy na sekundę, to ludzkie ucho je słyszy.

Częstotliwości 16 - 18000 Hz, które jest w stanie odebrać ludzki aparat słuchowy, nazywane są potocznie dźwiękiem, na przykład piskiem komara „10 kHz. Ale powietrze, głębiny mórz i wnętrzności ziemi wypełnione są dźwiękami leżącymi poniżej i powyżej tego zakresu - infra i ultradźwiękami. W naturze ultradźwięki występują jako składowa wielu naturalnych dźwięków: w szumie wiatru, wodospadu, deszczu, morskich kamyków toczonych przez fale, w wyładowaniach atmosferycznych. Wiele ssaków, takich jak koty i psy, ma zdolność odbierania ultradźwięków o częstotliwości do 100 kHz, a zdolności lokalizacyjne nietoperzy, owadów nocnych i zwierząt morskich są powszechnie znane. Istnienie dźwięków niesłyszalnych zostało odkryte wraz z rozwojem akustyki pod koniec XIX wieku. W tym samym czasie rozpoczęto pierwsze badania ultradźwięków, ale podwaliny pod ich zastosowanie położono dopiero w pierwszej tercji XX wieku.

Dolna granica zakresu ultradźwięków nazywana jest drganiami sprężystymi o częstotliwości 18 kHz. Górną granicę ultradźwięków wyznacza natura fal sprężystych, które mogą się rozchodzić tylko pod warunkiem, że długość fali jest znacznie większa niż średnia droga swobodna cząsteczek (w gazach) lub odległości międzyatomowe (w cieczach i gazach). W gazach górna granica wynosi »106 kHz, w cieczach i ciałach stałych »1010 kHz. Z reguły częstotliwości do 106 kHz nazywane są ultradźwiękami. Wyższe częstotliwości nazywane są hiperdźwiękami.

Fale ultradźwiękowe ze swej natury nie różnią się od fal w zakresie słyszalnym i podlegają tym samym prawom fizycznym. Jednak ultradźwięki mają specyficzne cechy, które zadecydowały o ich powszechnym zastosowaniu w nauce i technice. Oto główne:

• Mała długość fali. Dla najniższego zakresu ultradźwięków długość fali w większości mediów nie przekracza kilku centymetrów. Krótka długość fali określa promienny charakter propagacji fal ultradźwiękowych. W pobliżu emitera ultradźwięki rozchodzą się w postaci wiązek o rozmiarach zbliżonych do rozmiaru emitera. Uderzając w niejednorodności w ośrodku, wiązka ultradźwiękowa zachowuje się jak wiązka światła, ulegając odbiciu, załamaniu, rozproszeniu, co umożliwia tworzenie obrazów dźwiękowych w ośrodkach optycznie nieprzezroczystych za pomocą efektów czysto optycznych (ogniskowanie, dyfrakcja itp.)
• Mały okres oscylacji, który umożliwia emisję ultradźwięków w postaci impulsów oraz dokonywanie precyzyjnej selekcji czasowej sygnałów rozchodzących się w ośrodku.
• Możliwość uzyskania wysokich wartości energii drgań przy małej amplitudzie, bo energia oscylacji jest proporcjonalna do kwadratu częstotliwości. Umożliwia to tworzenie wiązek i pól ultradźwiękowych o wysokim poziomie energii bez konieczności stosowania dużego sprzętu.
• W polu ultradźwiękowym powstają znaczne prądy akustyczne. Dlatego oddziaływanie ultradźwięków na środowisko generuje określone efekty: fizyczne, chemiczne, biologiczne i medyczne. Takie jak kawitacja, efekt kapilarny dźwięku, dyspersja, emulgacja, odgazowanie, dezynfekcja, miejscowe ogrzewanie i wiele innych.
• Ultradźwięki są niesłyszalne i nie stwarzają dyskomfortu dla personelu obsługującego.

Historia ultradźwięków. Kto odkrył ultradźwięki.

Dbałość o akustykę spowodowana była potrzebami flot czołowych mocarstw – Anglii i Francji, bo. akustyczny - jedyny rodzaj sygnału, który może podróżować daleko w wodzie. w 1826 r Francuski naukowiec Colladon wyznaczył prędkość dźwięku w wodzie. Eksperyment Colladona uważany jest za narodziny współczesnej hydroakustyki. Uderzenie w dzwon podwodny w Jeziorze Genewskim nastąpiło z jednoczesnym zapłonem prochu strzelniczego. Błysk prochu strzelniczego zaobserwował Colladon z odległości 10 mil. Słyszał również dźwięk dzwonka przez podwodną rurkę słuchową. Mierząc odstęp czasu między tymi dwoma zdarzeniami, Colladon obliczył prędkość dźwięku – 1435 m/s. Różnica w stosunku do współczesnych obliczeń wynosi tylko 3 m/s.

W 1838 roku w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy wykorzystano dźwięk do określenia profilu dna morskiego w celu ułożenia kabla telegraficznego. Źródłem dźwięku, podobnie jak w eksperymencie Colladona, był dzwon brzmiący pod wodą, a odbiornikiem były duże rurki słuchowe, które opadały za burtę statku. Wyniki eksperymentu były rozczarowujące. Dźwięk dzwonu (podobnie jak eksplozja nabojów prochowych w wodzie) dał bardzo słabe echo, prawie niesłyszalne wśród innych dźwięków morza. Konieczne było wejście w rejon wyższych częstotliwości, które umożliwiłyby tworzenie ukierunkowanych wiązek dźwiękowych.

Pierwszy generator ultradźwięków wykonany w 1883 roku przez Anglika Franciszek Galton. Ultradźwięki powstały jak gwizdek na ostrzu noża, jeśli w nie dmuchniesz. Rolę takiego punktu w gwizdku Galtona pełnił walec o ostrych krawędziach. Powietrze lub inny gaz wydostający się pod ciśnieniem przez pierścieniową dyszę o średnicy równej krawędzi cylindra uderzał o krawędź i dochodziło do oscylacji o wysokiej częstotliwości. Dmuchając w gwizdek wodorem, udało się uzyskać oscylacje do 170 kHz.

w 1880 r Piotra i Jakuba Curie dokonał decydującego odkrycia dla technologii ultradźwiękowej. Bracia Curie zauważyli, że gdy ciśnienie jest przykładane do kryształów kwarcu, generowany jest ładunek elektryczny, który jest wprost proporcjonalny do siły przyłożonej do kryształu. Zjawisko to zostało nazwane „piezoelektrycznością” od greckiego słowa oznaczającego „naciskać”. Ponadto zademonstrowali odwrotny efekt piezoelektryczny, który występuje, gdy do kryształu przyłożony jest szybko zmieniający się potencjał elektryczny, powodujący jego wibracje. Odtąd technicznie możliwe stało się wytwarzanie niewielkich rozmiarów nadajników i odbiorników ultradźwięków.

Śmierć Titanica w wyniku zderzenia z górą lodową, konieczność walki z nową bronią - okręty podwodne wymagały szybkiego rozwoju hydroakustyki ultradźwiękowej. W 1914 roku francuski fizyk Paweł Langevin Wraz z utalentowanym rosyjskim naukowcem-emigrantem, Konstantinem Wasiljewiczem Szyłowskim, jako pierwsi opracowali sonar składający się z emitera ultradźwięków i hydrofonu - odbiornika drgań ultradźwiękowych, działającego na zasadzie efektu piezoelektrycznego. Sonar Langevin - Shilovsky, był pierwszym urządzeniem ultradźwiękowym stosowane w praktyce. W tym samym czasie rosyjski naukowiec S.Ya.Sokolov opracował podstawy defektoskopii ultradźwiękowej w przemyśle. W 1937 roku niemiecki psychiatra Karl Dussik wraz ze swoim bratem Friedrichem, fizykiem, po raz pierwszy zastosowali ultradźwięki do wykrywania guzów mózgu, ale uzyskane wyniki były niewiarygodne. W praktyce medycznej ultradźwięki po raz pierwszy zastosowano dopiero w latach 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych.

Odbiór ultradźwięków.

Emitery ultradźwięków można podzielić na dwie duże grupy:

1) Oscylacje są wzbudzane przez przeszkody na drodze strumienia gazu lub cieczy albo przez przerwanie strumienia gazu lub cieczy. Stosowane są w ograniczonym zakresie, głównie do uzyskiwania silnych ultradźwięków w ośrodku gazowym.

2) Oscylacje są wzbudzane przez przemianę na mechaniczne oscylacje prądu lub napięcia. Większość urządzeń ultradźwiękowych wykorzystuje emitery z tej grupy: przetworniki piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.

Oprócz przetworników opartych na efekcie piezoelektrycznym, do uzyskania silnej wiązki ultradźwiękowej stosowane są przetworniki magnetostrykcyjne. Magnetostrykcja to zmiana wielkości ciał, gdy zmienia się ich stan magnetyczny. Rdzeń wykonany z materiału magnetostrykcyjnego umieszczony w przewodzącym uzwojeniu zmienia swoją długość w zależności od kształtu sygnału prądowego przechodzącego przez uzwojenie. Zjawisko to, odkryte w 1842 roku przez Jamesa Joule'a, jest charakterystyczne dla ferromagnesów i ferrytów. Najczęściej stosowanymi materiałami magnetostrykcyjnymi są stopy na bazie niklu, kobaltu, żelaza i aluminium. Najwyższą intensywność promieniowania ultradźwiękowego może osiągnąć stop permendur (49% Co, 2% V, reszta Fe), który jest stosowany w potężnych emiterach ultradźwiękowych. W szczególności w produkowanych przez nasze przedsiębiorstwo.

Zastosowanie ultradźwięków.

Różne zastosowania ultradźwięków można podzielić na trzy obszary:

• uzyskanie informacji o substancji
• wpływ na materię
• przetwarzanie i transmisja sygnału

Zależność prędkości propagacji i tłumienia fal akustycznych od właściwości substancji i procesów w nich zachodzących jest wykorzystywana w takich badaniach:

• badanie procesów molekularnych w gazach, cieczach i polimerach
• badanie struktury kryształów i innych ciał stałych
• kontrola przebiegu reakcji chemicznych, przemian fazowych, polimeryzacji itp.
• oznaczanie stężenia roztworów
• wyznaczanie charakterystyk wytrzymałościowych i składu materiałów
• oznaczanie obecności zanieczyszczeń
• wyznaczanie prędkości przepływu cieczy i gazów

Informacji o budowie molekularnej substancji dostarcza pomiar prędkości i współczynnika pochłaniania w niej dźwięku. Pozwala to na pomiary stężeń roztworów i zawiesin w pulpach i cieczach, kontrolę przebiegu ekstrakcji, polimeryzacji, starzenia oraz kinetyki reakcji chemicznych. Dokładność określenia składu substancji i obecności zanieczyszczeń za pomocą ultradźwięków jest bardzo duża i wynosi ułamki procenta.

Pomiar prędkości dźwięku w ciałach stałych pozwala określić właściwości sprężyste i wytrzymałościowe materiałów konstrukcyjnych. Taka pośrednia metoda wyznaczania wytrzymałości jest wygodna ze względu na swoją prostotę i możliwość zastosowania w rzeczywistych warunkach.

Ultradźwiękowe analizatory gazów monitorują gromadzenie się niebezpiecznych zanieczyszczeń. Zależność prędkości ultradźwięków od temperatury jest wykorzystywana do bezkontaktowej termometrii gazów i cieczy.

Przepływomierze ultradźwiękowe działające na zasadzie Dopplera opierają się na pomiarze prędkości dźwięku w poruszających się cieczach i gazach, w tym niejednorodnych (emulsje, zawiesiny, pulpy). Podobna aparatura jest używana do określania szybkości i przepływu krwi w badaniach klinicznych.

Duża grupa metod pomiarowych opiera się na odbijaniu i rozpraszaniu fal ultradźwiękowych na granicach ośrodków. Metody te pozwalają na dokładne lokalizowanie ciał obcych w środowisku i znajdują zastosowanie w takich obszarach jak:

• sonar
• badania nieniszczące i wykrywanie wad
• diagnostyka medyczna
• oznaczanie poziomów cieczy i materiałów sypkich w pojemnikach zamkniętych
• rozmiarówka produktu
• wizualizacja pól dźwiękowych - wizja dźwiękowa i holografia akustyczna

Odbicie, załamanie i możliwość ogniskowania ultradźwięków są wykorzystywane w defektoskopii ultradźwiękowej, w ultradźwiękowych mikroskopach akustycznych, w diagnostyce medycznej, do badania makroniejednorodności substancji. Obecność niejednorodności i ich współrzędne są określane przez odbite sygnały lub strukturę cienia.

Metody pomiarowe oparte na zależności parametrów rezonansowego układu oscylacyjnego od właściwości obciążającego go ośrodka (impedancja) stosowane są do ciągłego pomiaru lepkości i gęstości cieczy, do pomiaru grubości części, do których dostęp można uzyskać tylko z jednego bok. Ta sama zasada leży u podstaw ultradźwiękowych twardościomierzy, poziomowskazów, poziomowskazów. Zalety ultradźwiękowych metod badawczych: krótki czas pomiaru, możliwość kontroli mediów wybuchowych, agresywnych i toksycznych, brak wpływu narzędzia na kontrolowane środowisko i procesy.

Wpływ ultradźwięków na materię.

Oddziaływanie ultradźwięków na substancję, prowadzące do nieodwracalnych zmian w niej, jest szeroko stosowane w przemyśle. Jednocześnie mechanizmy działania ultradźwięków są różne dla różnych mediów. W gazach głównym czynnikiem działającym są prądy akustyczne, które przyspieszają procesy wymiany ciepła i masy. Ponadto wydajność mieszania ultradźwiękowego jest znacznie wyższa niż konwencjonalnego mieszania hydrodynamicznego, ponieważ warstwa graniczna ma mniejszą grubość, a co za tym idzie większy gradient temperatury lub stężenia. Efekt ten jest wykorzystywany w procesach takich jak:

• suszenie ultradźwiękowe
• spalanie w polu ultradźwiękowym
• koagulacja aerozolowa

W ultradźwiękowym przetwarzaniu cieczy głównym czynnikiem operacyjnym jest kawitacja . Następujące procesy technologiczne opierają się na efekcie kawitacji:

• czyszczenie ultradźwiękowe
• galwanizacja i lutowanie
• dźwiękowo-kapilarny efekt - wnikanie cieczy w najmniejsze pory i pęknięcia. Służy do impregnacji materiałów porowatych i ma miejsce w każdej obróbce ultradźwiękowej ciał stałych w cieczach.
• krystalizacja
• intensyfikacja procesów elektrochemicznych
• produkcja aerozoli
• niszczenie mikroorganizmów i ultradźwiękowa sterylizacja narzędzi

Prądy akustyczne- jeden z głównych mechanizmów działania ultradźwięków na substancję. Wynika to z absorpcji energii ultradźwiękowej w substancji iw warstwie granicznej. Przepływy akustyczne różnią się od hydrodynamicznych małą grubością warstwy przyściennej i możliwością jej pocienienia wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji. Prowadzi to do zmniejszenia grubości warstwy granicznej temperatury lub stężenia i wzrostu gradientów temperatury lub stężenia, które określają szybkość wymiany ciepła lub masy. Przyczynia się to do przyspieszenia spalania, suszenia, mieszania, destylacji, dyfuzji, ekstrakcji, impregnacji, sorpcji, krystalizacji, rozpuszczania, odgazowywania cieczy i stopów. W przepływie wysokoenergetycznym oddziaływanie fali akustycznej odbywa się dzięki energii samego przepływu, poprzez zmianę jego turbulencji. W tym przypadku energia akustyczna może stanowić tylko ułamek procenta energii przepływu.

Kiedy fala dźwiękowa o dużym natężeniu przechodzi przez ciecz, powstaje tzw kawitacja akustyczna . W intensywnej fali dźwiękowej, podczas półokresów rozrzedzenia, powstają pęcherzyki kawitacyjne, które gwałtownie zapadają się po przejściu do obszaru zwiększonego ciśnienia. W obszarze kawitacji powstają silne perturbacje hydrodynamiczne w postaci fal mikrowstrząsowych i mikroprzepływów. Ponadto zapadnięciu się pęcherzyków towarzyszy silne miejscowe ogrzanie substancji i uwolnienie gazu. Takie uderzenie prowadzi do zniszczenia nawet tak trwałych substancji jak stal i kwarc. Efekt ten jest wykorzystywany do rozpraszania ciał stałych, uzyskiwania drobno zdyspergowanych emulsji niemieszających się cieczy, wzbudzania i przyspieszania reakcji chemicznych, niszczenia mikroorganizmów oraz ekstrakcji enzymów z komórek zwierzęcych i roślinnych. Kawitacja określa również takie efekty, jak słaby blask cieczy pod działaniem ultradźwięków - luminescencja dźwięku i nienormalnie głębokie wnikanie płynu do naczyń włosowatych - dźwiękowy efekt kapilarny .

Dyspersja kawitacyjna kryształów węglanu wapnia (kamień) leży u podstaw akustycznych urządzeń przeciwdziałających osadzaniu się kamienia. Pod wpływem ultradźwięków cząsteczki w wodzie ulegają rozszczepieniu, ich średnie rozmiary zmniejszają się z 10 do 1 mikrona, zwiększa się ich liczba oraz całkowita powierzchnia cząstek. Prowadzi to do przeniesienia procesu tworzenia się kamienia kotłowego z powierzchni wymiany ciepła bezpośrednio do cieczy. Ultradźwięki oddziałują również na utworzoną warstwę kamienia kotłowego, tworząc w niej mikropęknięcia, które przyczyniają się do odpryskiwania kawałków kamienia kotłowego z powierzchni wymiany ciepła.

W myjniach ultradźwiękowych kawitacja i generowane przez nią mikroprzepływy usuwają zarówno zanieczyszczenia sztywno związane z powierzchnią, takie jak kamień, zgorzelina, zadziory, jak i zanieczyszczenia miękkie, takie jak tłuste warstwy, brud itp. Ten sam efekt wykorzystuje się do intensyfikacji procesów elektrolitycznych.

Pod działaniem ultradźwięków powstaje tak ciekawy efekt jak koagulacja akustyczna, tj. konwergencja i powiększanie cząstek zawieszonych w cieczach i gazach. Fizyczny mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze do końca wyjaśniony. Koagulacja akustyczna służy do wytrącania pyłów przemysłowych, dymów i mgieł przy niskich częstotliwościach dla ultradźwięków do 20 kHz. Niewykluczone, że właśnie na tym efekcie opiera się korzystne działanie bicia dzwonów kościelnych.

Obróbka brył za pomocą ultradźwięków opiera się na następujących efektach:

• zmniejszenie tarcia pomiędzy powierzchniami podczas drgań ultradźwiękowych jednej z nich
• spadek granicy plastyczności lub odkształcenia plastycznego pod wpływem ultradźwięków
• utwardzanie i redukcja naprężeń szczątkowych w metalach pod wpływem narzędzia o częstotliwości ultradźwiękowej
• Połączony efekt kompresji statycznej i wibracji ultradźwiękowych jest wykorzystywany w zgrzewaniu ultradźwiękowym

Istnieją cztery rodzaje obróbki przy użyciu ultradźwięków:

• obróbka wymiarowa części wykonanych z materiałów twardych i kruchych
• cięcie materiałów trudno skrawalnych z nałożeniem ultradźwięków na narzędzie tnące
• gratowanie w kąpieli ultradźwiękowej
• szlifowanie materiałów lepkich z ultradźwiękowym czyszczeniem ściernicy

Oddziaływanie ultradźwięków na obiekty biologiczne powoduje różnorodne efekty i reakcje w tkankach organizmu, co jest szeroko stosowane w terapii ultradźwiękowej i chirurgii. Ultradźwięki to katalizator przyspieszający osiągnięcie równowagi, z punktu widzenia fizjologii, stanu organizmu, tj. zdrowy stan. Ultradźwięki mają znacznie większy wpływ na chore tkanki niż na zdrowe. Stosowana jest również ultradźwiękowa atomizacja leków podczas inhalacji. Chirurgia ultradźwiękowa opiera się na następujących efektach: niszczeniu tkanek przez samo zogniskowane ultradźwięki oraz nałożeniu drgań ultradźwiękowych na tnący instrument chirurgiczny.

Urządzenia ultradźwiękowe służą do przetwarzania i analogizacji sygnałów elektronicznych oraz sterowania sygnałami świetlnymi w optyce i optoelektronice. Ultradźwięki o niskiej prędkości są stosowane w liniach opóźniających. Sterowanie sygnałami optycznymi opiera się na dyfrakcji światła za pomocą ultradźwięków. Jeden z rodzajów takiej dyfrakcji, tzw. dyfrakcja Bragga, zależy od długości fali ultradźwięków, co umożliwia wydzielenie wąskiego przedziału częstotliwości z szerokiego widma promieniowania świetlnego, tj. filtr światła.

Ultradźwięki to niezwykle ciekawa rzecz i można przypuszczać, że wiele możliwości ich praktycznego zastosowania nie jest jeszcze znanych ludzkości. Kochamy i znamy ultradźwięki i chętnie omówimy wszelkie pomysły związane z jego zastosowaniem.

Gdzie stosuje się ultradźwięki - tabela podsumowująca

Nasze przedsiębiorstwo, Koltso-Energo LLC, zajmuje się produkcją i instalacją akustycznych urządzeń antyskalowych Acoustic-T. Produkowane przez naszą firmę urządzenia wyróżniają się wyjątkowo wysokim poziomem sygnału ultradźwiękowego, co pozwala na pracę na kotłach bez uzdatniania wody oraz na kotłach parowo-wodnych z wodą artezyjską. Jednak zapobieganie powstawaniu kamienia to tylko niewielka część tego, co może zdziałać ultradźwięk. To niesamowite naturalne narzędzie ma ogromne możliwości i chcemy Ci o nich opowiedzieć. Pracownicy naszej firmy przez wiele lat pracowali w czołowych rosyjskich przedsiębiorstwach zajmujących się akustyką. O ultrasonografii wiemy bardzo dużo. A jeśli nagle pojawi się potrzeba zastosowania ultradźwięków w Twojej technologii,

Ryż. 2. Przepływ akustyczny powstający w wyniku rozchodzenia się ultradźwięków o częstotliwości 5 MHz w benzenie.

Do ważnych zjawisk nieliniowych, które powstają podczas propagacji intensywnych ultradźwięków w polu akustycznym, należy wzrost pęcherzyków w polu ultradźwiękowym z istniejących submikroskopowych jąder gazu lub pary do rozmiarów ułamków milimetra, które zaczynają pulsować z częstotliwością ultradźwięków i zapaść w fazie dodatniej. Kiedy pęcherzyki gazu zapadają się, powstają duże lokalne ciśnienia rzędu tysięcy atmosfer i powstają kuliste fale uderzeniowe. Mikroprzepływy akustyczne powstają w pobliżu pulsujących pęcherzyków. Zjawiska w polu kawitacyjnym prowadzą do szeregu zjawisk zarówno pożytecznych (pozyskiwanie, czyszczenie zanieczyszczonych części itp.), jak i szkodliwych (erozja emiterów ultradźwiękowych). Częstotliwości Ultradźwięki, przy których ultradźwięki są wykorzystywane do celów technologicznych, leżą w obszarze ULF. Intensywność odpowiadająca progowi kawitacji zależy od rodzaju cieczy, częstotliwości dźwięku, temperatury i innych czynników. W wodzie o częstotliwości 20 kHz wynosi około 0,3 W / cm2. Przy częstotliwościach UHF w polu ultradźwiękowym o natężeniu kilku W/cm2 może wystąpić tryskanie cieczą ( Ryż. 3) i spryskanie go bardzo delikatną mgiełką.

Ryż. 3. Płynna fontanna powstaje, gdy wiązka ultradźwięków pada z wnętrza cieczy na jej powierzchnię (częstotliwość ultradźwięków 1,5 MHz, natężenie 15 W/cm2).

Pokolenieultradźwięk. Do generowania ultradźwięków stosuje się różnorodne urządzenia, które można podzielić na 2 główne grupy - mechaniczne, w których ultradźwięki to mechaniczny przepływ gazu lub elektromechaniczne, w których energia ultradźwiękowa jest pozyskiwana elektrycznie. Mechaniczne emitery ultradźwięków - powietrza i cieczy - charakteryzują się stosunkowo prostym urządzeniem i nie wymagają drogiej energii elektrycznej o wysokiej częstotliwości, ich sprawność wynosi 10-20%. Główną wadą wszystkich mechanicznych emiterów ultradźwiękowych jest stosunkowo szeroki zakres emitowanych częstotliwości i niestabilność częstotliwości, co nie pozwala na ich wykorzystanie do celów kontrolno-pomiarowych; są stosowane głównie w ultradźwiękach przemysłowych i częściowo jako środki.

Ryż. 4. Promieniowanie (odbiór) fal podłużnych L przez płytkę oscylującą w grubości w ciało stałe: 1 - płyta kwarcowa cięta X o grubości l / 2, gdzie l jest długością fali w kwarcu; 2 - elektrody metalowe; 3 - płyn (olej transformatorowy) do kontaktu akustycznego; 4 - generator oscylacji elektrycznych; 5 - ciało stałe.

Odbiór i detekcja ultradźwięków. Ze względu na odwracalność efektu piezoelektrycznego jest również szeroko stosowany do odbioru ultradźwięków.Pola ultradźwiękowe można również badać metodami optycznymi: Ultradźwięki rozchodząc się w dowolnym ośrodku powodują zmianę jego współczynnika załamania światła, dzięki czemu można je wizualizowane, jeśli ośrodek jest przezroczysty dla światła. Sąsiednia dziedzina optyki (akustyczno-optyczna) została znacznie rozwinięta od czasu pojawienia się laserów gazowych o fali ciągłej; rozwinięto badania nad światłem ultradźwiękowym i jego różnymi zastosowaniami.

Zastosowania ultradźwięków. Zastosowania ultradźwięków są niezwykle różnorodne. Ultradźwięki to potężna metoda badania różnych zjawisk w wielu dziedzinach fizyki. Na przykład metody ultradźwiękowe są stosowane w fizyce ciała stałego i fizyce; powstała zupełnie nowa dziedzina fizyki - akustoelektronika, na podstawie której dorobku opracowywane są różne urządzenia do przetwarzania informacji sygnałowych. Ultradźwięki odgrywają dużą rolę w nauce. Wraz z metodami akustyki molekularnej i gazów, w dziedzinie badania ciał stałych, c i absorpcja a są wykorzystywane do wyznaczania modułów i charakterystyk rozpraszania substancji. Rozwinęła się teoria kwantowa, która bada oddziaływanie kwantów zaburzeń sprężystych - z itp. oraz elementarnych w ciałach stałych. Ultradźwięki są szeroko stosowane w technologii, a metody ultradźwiękowe coraz częściej przenikają do i.

Zastosowanie ultradźwięków w technice Zgodnie z c i a, w wielu problemach technicznych przeprowadza się je dla przebiegu określonego procesu (kontrola mieszaniny gazów, składu różnych itp.). Wykorzystując ultradźwięki na granicy różnych mediów, urządzenia ultradźwiękowe są przeznaczone do pomiaru wymiarów produktów (na przykład grubościomierze ultradźwiękowe), do określania poziomu cieczy w dużych pojemnikach, które są niedostępne do bezpośredniego pomiaru. Ultradźwięki o stosunkowo małym natężeniu (do ~0,1 W/cm2) są szeroko stosowane do badań nieniszczących wyrobów wykonanych z materiałów litych (szyny, odlewy wielkogabarytowe, wyroby walcowane wysokiej jakości itp.) (patrz). Gwałtownie rozwija się kierunek zwany emisją akustyczną, polegający na tym, że gdy na próbkę (konstrukcję) przyłożymy mechaniczne ciało stałe, to ono „pęka” (podobnie jak „trzaska” blaszany pręt przy zginaniu). Tłumaczy się to tym, że w próbce zachodzi ruch, który w pewnych warunkach (jeszcze nie do końca wyjaśnionych) staje się (podobnie jak zbiór dyslokacji i submikroskopowych pęknięć) impulsami akustycznymi o widmie zawierającym częstotliwości. emisji akustycznej możliwe jest wykrycie i rozwój pęknięcia, a także określenie jego lokalizacji w newralgicznych miejscach różnych konstrukcji. Za pomocą ultradźwięków przeprowadza się to: przekształcając ultradźwięki w elektryczne, a te ostatnie w światło, okazuje się, że za pomocą ultradźwięków można zobaczyć pewne obiekty w ośrodku nieprzezroczystym dla światła. Na częstotliwościach ultradźwiękowych powstał mikroskop ultradźwiękowy - urządzenie podobne do mikroskopu konwencjonalnego, którego przewagą nad optycznym jest to, że badania biologiczne nie wymagają wstępnego barwienia przedmiotu ( Ryż. 5). Rozwój doprowadził do pewnych sukcesów w dziedzinie ultradźwięków.

Ryż. 5 B. Czerwone krwinki uzyskane za pomocą mikroskopu ultradźwiękowego.