Prezentácia na tému ultrazvuk a jeho aplikácia. Ultrazvuk, jeho vlastnosti a aplikácie. Dopplerovské zariadenia

Ultrazvuk ………………………………………………………………………. 4

Ultrazvuk ako elastické vlny………………………………………..4

Špecifické vlastnosti ultrazvuku………………………………..5

Zdroje a prijímače ultrazvuku………………………………………..7

Mechanické žiariče………………………………………………...7

Elektroakustické prevodníky…………………………….9

Ultrazvukové prijímače………………………………………………..11

Použitie ultrazvuku ……………………………………………… 11

Čistenie ultrazvukom ……………………………………………… 11

Obrábanie supertvrdých a krehkých

materiály ……………………………………………………………… 13

Zváranie ultrazvukom……………………………………………………….14

Ultrazvukové spájkovanie a pocínovanie………………………………………………14

Zrýchlenie výrobných procesov ……………………………… 15

Ultrazvuková detekcia defektov ……………………………………………… 15

Ultrazvuk v rádiovej elektronike ……………………………………………… 17

Ultrazvuk v medicíne………………………………………………………..18

Literatúra……………………………………………………………….. 19

dirigovanie.

Dvadsiate prvé storočie je storočím atómu, dobývania vesmíru, rádiovej elektroniky a ultrazvuku. Veda o ultrazvuku je relatívne mladá. Prvú laboratórnu prácu na štúdiu ultrazvuku vykonal veľký ruský fyzik P. N. Lebedev na konci 19. storočia a potom sa ultrazvuku venovalo mnoho významných vedcov.

Ultrazvuk je kmitavý pohyb častíc média podobný vlnám. Ultrazvuk má niektoré vlastnosti v porovnaní so zvukmi počuteľného rozsahu. V ultrazvukovom rozsahu je relatívne ľahké získať smerové žiarenie; dobre sa hodí na zaostrovanie, v dôsledku čoho sa zvyšuje intenzita ultrazvukových vibrácií. Ultrazvuk pri šírení v plynoch, kvapalinách a pevných látkach generuje zaujímavé javy, z ktorých mnohé našli praktické uplatnenie v rôznych oblastiach vedy a techniky.

V posledných rokoch začína vo vedeckom výskume zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu ultrazvuk. Úspešne sa uskutočnili teoretické a experimentálne štúdie v oblasti ultrazvukovej kavitácie a akustických tokov, čo umožnilo vyvinúť nové technologické procesy, ktoré sa vyskytujú pri pôsobení ultrazvuku v kvapalnej fáze. V súčasnosti sa formuje nový smer v chémii - ultrazvuková chémia, ktorá umožňuje urýchliť mnohé chemické a technologické procesy. Vedecký výskum prispel k vzniku novej sekcie akustiky – molekulárnej akustiky, ktorá študuje molekulárnu interakciu zvukových vĺn s hmotou. Objavili sa nové oblasti použitia ultrazvuku: introskopia, holografia, kvantová akustika, ultrazvukové meranie fáz, akustoelektronika.

Spolu s teoretickým a experimentálnym výskumom v oblasti ultrazvuku sa vykonalo množstvo praktickej práce. Boli vyvinuté univerzálne a špeciálne ultrazvukové stroje, zariadenia pracujúce pod zvýšeným statickým tlakom, ultrazvukové mechanizované zariadenia na čistenie dielov, generátory so zvýšenou frekvenciou a novým chladiacim systémom a meniče s rovnomerne rozloženým poľom. Boli vytvorené a zavedené do výroby automatické ultrazvukové zariadenia, ktoré sú zaradené do výrobných liniek, ktoré umožňujú výrazne zvýšiť produktivitu práce.

ultrazvuk.

Ultrazvuk (US) - elastické vibrácie a vlny, ktorých frekvencia presahuje 15 - 20 kHz. Dolná hranica oblasti ultrazvukovej frekvencie, ktorá ju oddeľuje od oblasti počuteľného zvuku, je určená subjektívnymi vlastnosťami ľudského sluchu a je podmienená, keďže horná hranica sluchového vnímania je u každého človeka iná. Horná hranica ultrazvukových frekvencií je spôsobená fyzikálnou podstatou elastických vĺn, ktoré sa môžu šíriť len v hmotnom prostredí, t.j. za predpokladu, že vlnová dĺžka je oveľa väčšia ako stredná voľná dráha molekúl v plyne alebo medziatómové vzdialenosti v kvapalinách a tuhých látkach. V plynoch pri normálnom tlaku je horná hranica ultrazvukových frekvencií » 10 9 Hz, v kvapalinách a pevných látkach dosahuje medzná frekvencia 10 12 -10 13 Hz. V závislosti od vlnovej dĺžky a frekvencie má ultrazvuk rôzne špecifické vlastnosti žiarenia, príjmu, šírenia a aplikácie, preto je oblasť ultrazvukových frekvencií rozdelená do troch oblastí:

· nízke ultrazvukové frekvencie (1,5×10 4 - 10 5 Hz);

stredné (105 - 107 Hz);

vysoká (10 7 - 10 9 Hz).

Elastické vlny s frekvenciami 10 9 - 10 13 Hz sa zvyčajne nazývajú hyperzvuk.

Ultrazvuk ako elastické vlny.

Ultrazvukové vlny (nepočuteľný zvuk) sa svojou povahou nelíšia od elastických vĺn v počuteľnom rozsahu. Rozmnožuje sa len v plynoch a kvapalinách pozdĺžne vlny a v pevných látkach - pozdĺžne a šmykové s.

Šírenie ultrazvuku sa riadi základnými zákonmi spoločnými pre akustické vlny akéhokoľvek frekvenčného rozsahu. Základné zákony distribúcie sú zákony odrazu a lomu zvuku na hraniciach rôznych médií, difrakcia zvuku a rozptyl zvuku v prítomnosti prekážok a nehomogenít v médiu a nepravidelností na hraniciach, zákony šírenia vlnovodu v obmedzených oblastiach životného prostredia. Podstatnú úlohu zohráva pomer medzi vlnovou dĺžkou zvuku l a geometrickým rozmerom D, teda veľkosťou zdroja zvuku alebo prekážky v dráhe vlny a veľkosťou nehomogenít prostredia. Pri D>>l šírení zvuku v blízkosti prekážok dochádza najmä podľa zákonov geometrickej akustiky (môžete použiť zákony odrazu a lomu). Mieru odchýlky od geometrického vzoru šírenia a potrebu zohľadniť difrakčné javy určuje parameter

, kde r je vzdialenosť od bodu pozorovania k objektu spôsobujúceho difrakciu.

Rýchlosť šírenia ultrazvukových vĺn v neobmedzenom prostredí je určená charakteristikami elasticity a hustoty prostredia. V obmedzených prostrediach je rýchlosť šírenia vlny ovplyvnená prítomnosťou a povahou hraníc, čo vedie k frekvenčnej závislosti rýchlosti (rozptyl rýchlosti zvuku). Pokles amplitúdy a intenzity ultrazvukovej vlny pri jej šírení daným smerom, teda útlm zvuku, je spôsobený, rovnako ako u vĺn akejkoľvek frekvencie, divergenciou čela vlny so vzdialenosťou od zdroja. rozptyl a pohlcovanie zvuku. Pri všetkých frekvenciách, počuteľných aj nepočuteľných, dochádza k takzvanej „klasickej“ absorpcii, spôsobenej šmykovou viskozitou (vnútorným trením) média. Navyše dochádza k dodatočnému (relaxačnému) vstrebávaniu, ktoré často výrazne prevyšuje „klasické“ vstrebávanie.

Pri výraznej intenzite zvukových vĺn sa objavujú nelineárne efekty:

princíp superpozície je porušený a dochádza k interakcii vĺn, čo vedie k vzniku tónov;

· tvar vlny sa mení, jej spektrum je obohatené o vyššie harmonické a podľa toho sa zvyšuje absorpcia;

· pri dosiahnutí určitej prahovej hodnoty intenzity ultrazvuku dochádza v kvapaline ku kavitácii (pozri nižšie).

Kritériom použiteľnosti zákonov lineárnej akustiky a možnosti zanedbania nelineárnych efektov je: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Parameter M sa nazýva "Machovo číslo".

špecifické vlastnosti ultrazvuku

Hoci fyzikálna podstata ultrazvuku a základné zákony, ktoré určujú jeho šírenie, sú rovnaké ako pri zvukových vlnách akéhokoľvek frekvenčného rozsahu, má množstvo špecifických vlastností. Tieto vlastnosti sú spôsobené relatívne vysokými frekvenciami v USA.

Rozhoduje malá vlnová dĺžka lúčový charakteršírenie ultrazvukových vĺn. V blízkosti žiariča sa vlny šíria vo forme lúčov, ktorých priečna veľkosť zostáva blízka veľkosti žiariča. Keď takýto lúč (US lúč) narazí na veľké prekážky, podlieha odrazu a lomu. Pri dopade lúča na malé prekážky vzniká rozptýlená vlna, ktorá umožňuje odhaliť malé nehomogenity v médiu (rádovo desatiny a stotiny mm). Odraz a rozptyl ultrazvuku na nehomogenitách prostredia umožňujú tvorbu v opticky nepriehľadných médiách zvukové obrázky objekty pomocou zvukových zaostrovacích systémov, podobne ako sa to robí so svetelnými lúčmi.

Zaostrovanie ultrazvukom umožňuje nielen získať zvukové obrazy (zvukové zobrazovanie a akustické holografické systémy), ale aj koncentrát zvuková energia. Pomocou ultrazvukových zaostrovacích systémov je možné tvarovať vopred určené smerové charakteristikyžiariče a spravovať ich.

Periodická zmena indexu lomu svetelných vĺn spojená so zmenou hustoty v ultrazvukovej vlne spôsobuje difrakcia svetla ultrazvukom pozorované pri frekvenciách v USA v rozsahu megahertz-gigahertz. V tomto prípade možno ultrazvukovú vlnu považovať za difrakčnú mriežku.

Najdôležitejším nelineárnym efektom v ultrazvukovom poli je kavitácia- objavenie sa hmoty pulzujúcich bublín naplnených parou, plynom alebo ich zmesou v kvapaline. Zložitý pohyb bublín, ich kolaps, vzájomné splývanie atď. vytvárajú kompresné impulzy (mikrošokové vlny) a mikroprúdy v kvapaline, spôsobujú lokálne zahrievanie média, ionizáciu. Tieto účinky ovplyvňujú látku: dochádza k deštrukcii pevných látok v kvapaline ( kavitačná erózia), dochádza k miešaniu tekutín, spúšťajú sa alebo urýchľujú rôzne fyzikálne a chemické procesy. Zmenou podmienok kavitácie je možné zosilniť alebo zoslabiť rôzne kavitačné efekty, napríklad so zvýšením frekvencie ultrazvuku sa zvýši úloha mikroprúdov a zníži sa kavitačná erózia, so zvýšením tlaku v kvapaline, zvyšuje sa úloha mikroimpaktu. Zvýšenie frekvencie vedie k zvýšeniu prahovej intenzity zodpovedajúcej začiatku kavitácie, ktorá závisí od typu kvapaliny, jej obsahu plynov, teploty atď. Pre vodu pri atmosférickom tlaku je to zvyčajne 0,3¸1,0 W/cm 2. Kavitácia je komplexný súbor javov. Ultrazvukové vlny šíriace sa v kvapalnej forme striedajú oblasti vysokého a nízkeho tlaku a vytvárajú zóny vysokej kompresie a zóny riedenia. V riedkej zóne klesá hydrostatický tlak do takej miery, že sily pôsobiace na molekuly kvapaliny sú väčšie ako sily medzimolekulovej súdržnosti. V dôsledku prudkej zmeny hydrostatickej rovnováhy sa kvapalina „rozbije“ a vytvorí početné drobné bublinky plynov a pár. V ďalšom okamihu, keď v kvapaline začína obdobie vysokého tlaku, bubliny, ktoré sa vytvorili predtým, skolabujú. Proces kolapsu bublín je sprevádzaný tvorbou rázových vĺn s veľmi vysokým lokálnym okamžitým tlakom, dosahujúcim niekoľko stoviek atmosfér.

Kapitola z I. dielu príručky o ultrazvukovej diagnostike, ktorú napísali pracovníci Katedry ultrazvukovej diagnostiky Ruskej lekárskej akadémie postgraduálneho vzdelávania (CD 2001), ktorú vydal Mitkov V.V.

(Článok bol nájdený na internete)

Fyzikálne vlastnosti ultrazvuku
Odraz a rozptyl
Senzory a ultrazvukové vlny
Zariadenia s pomalým skenovaním
Nástroje na rýchle skenovanie
Dopplerovské zariadenia
Artefakty
Kontrola kvality ultrazvukových zariadení
Biologický účinok ultrazvuku a bezpečnosť
Nové trendy v ultrazvukovej diagnostike
Literatúra
Testovacie otázky

FYZIKÁLNE VLASTNOSTI ULTRAZVUKU

Využitie ultrazvuku v lekárskej diagnostike je spojené s možnosťou získania snímok vnútorných orgánov a štruktúr. Základom metódy je interakcia ultrazvuku s tkanivami ľudského tela. Samotné získavanie obrazu možno rozdeliť na dve časti. Prvým je žiarenie krátkych ultrazvukových impulzov smerovaných do skúmaných tkanív a druhým je vytváranie obrazu na základe odrazených signálov. Pochopenie princípu fungovania ultrazvukovej diagnostickej jednotky, znalosť základov fyziky ultrazvuku a jeho interakcie s tkanivami ľudského tela pomôže vyhnúť sa mechanickému, bezmyšlienkovému používaniu zariadenia, a tým kompetentnejšie pristupovať k diagnostickému procesu. .

Zvuk je mechanické pozdĺžne vlnenie, pri ktorom sú vibrácie častíc v rovnakej rovine ako smer šírenia energie (obr. 1).

Ryža. 1. Vizuálne a grafické znázornenie zmien tlaku a hustoty v ultrazvukovej vlne.

Vlna nesie energiu, ale nie hmotu. Na rozdiel od elektromagnetických vĺn (svetlo, rádiové vlny atď.) zvuk potrebuje na svoje šírenie médium – nemôže sa šíriť vo vákuu. Ako všetky vlny, aj zvuk možno opísať množstvom parametrov. Sú to frekvencia, vlnová dĺžka, rýchlosť šírenia v médiu, perióda, amplitúda a intenzita. Frekvencia, perióda, amplitúda a intenzita sú určené zdrojom zvuku, rýchlosť šírenia je určená prostredím a vlnová dĺžka je určená zdrojom zvuku aj prostredím. Frekvencia je počet úplných kmitov (cyklov) za periódu 1 sekundy (obr. 2).

Ryža. 2. Frekvencia ultrazvukových vĺn 2 cykly za 1 s = 2 Hz

Frekvenčné jednotky sú hertz (Hz) a megahertz (MHz). Jeden hertz je jedna oscilácia za sekundu. Jeden megahertz = 1 000 000 hertzov. Čo robí zvuk "ultra"? Toto je frekvencia. Horná hranica počuteľného zvuku - 20 000 Hz (20 kilohertzov (kHz)) - je spodná hranica ultrazvukového rozsahu. Ultrazvukové lokátory netopierov pracujú v rozsahu 25÷500 kHz. V moderných ultrazvukových prístrojoch sa na získanie obrazu používa ultrazvuk s frekvenciou 2 MHz a vyššou. Perióda je čas potrebný na získanie jedného úplného oscilačného cyklu (obr. 3).

Ryža. 3. Perióda ultrazvukovej vlny.

Jednotky periódy sú sekundy (s) a mikrosekundy (µs). Jedna mikrosekunda je jedna milióntina sekundy. Perióda (µs) = 1/frekvencia (MHz). Vlnová dĺžka je dĺžka, ktorú zaberá jeden kmit v priestore (obr. 4).

Ryža. 4. Vlnová dĺžka.

Jednotky merania sú meter (m) a milimeter (mm). Rýchlosť šírenia ultrazvuku je rýchlosť, ktorou sa vlna šíri prostredím. Jednotky rýchlosti šírenia ultrazvuku sú meter za sekundu (m/s) a milimeter za mikrosekundu (mm/µs). Rýchlosť šírenia ultrazvuku je určená hustotou a elasticitou média. Rýchlosť šírenia ultrazvuku sa zvyšuje so zvyšovaním elasticity a znižovaním hustoty média. Tabuľka 2.1 ukazuje rýchlosť šírenia ultrazvuku v niektorých tkanivách ľudského tela.

Priemerná rýchlosť šírenia ultrazvuku v tkanivách ľudského tela je 1540 m/s – na túto rýchlosť je naprogramovaná väčšina ultrazvukových diagnostických prístrojov. Rýchlosť šírenia ultrazvuku (C), frekvencia (f) a vlnová dĺžka (λ) súvisia podľa nasledujúcej rovnice: C = f × λ. Keďže v našom prípade sa rýchlosť považuje za konštantnú (1540 m/s), zostávajúce dve premenné f a λ sú vzájomne prepojené nepriamo úmerným vzťahom. Čím vyššia je frekvencia, tým kratšia je vlnová dĺžka a tým menšie sú objekty, ktoré môžeme vidieť. Ďalším dôležitým parametrom média je akustická impedancia (Z). Akustický odpor je súčinom hodnoty hustoty média a rýchlosti šírenia ultrazvuku. Odpor (Z) = hustota (p) × rýchlosť šírenia (C).

Na získanie obrazu v ultrazvukovej diagnostike sa nepoužíva ultrazvuk, ktorý je vysielaný kontinuálne (konštantná vlna), ale ultrazvuk vysielaný vo forme krátkych impulzov (pulzný). Vytvára sa, keď sú na piezoelektrický prvok aplikované krátke elektrické impulzy. Na charakterizáciu pulzného ultrazvuku sa používajú ďalšie parametre. Frekvencia opakovania impulzov je počet impulzov vydaných za jednotku času (sekundu). Frekvencia opakovania pulzu sa meria v hertzoch (Hz) a kilohertzoch (kHz). Trvanie impulzu je časové rozpätie jedného impulzu (obr. 5).

Ryža. 5. Trvanie ultrazvukového impulzu.

Meria sa v sekundách (s) a mikrosekundách (µs). Faktor obsadenosti je podiel času, za ktorý dochádza k emisii (vo forme impulzov) ultrazvuku. Priestorová dĺžka pulzu (STP) je dĺžka priestoru, v ktorom je umiestnený jeden ultrazvukový pulz (obr. 6).

Ryža. 6. Priestorové rozšírenie pulzu.

Pre mäkké tkanivá sa priestorová dĺžka impulzu (mm) rovná súčinu 1,54 (rýchlosť šírenia ultrazvuku v mm/µs) a počtu oscilácií (cyklov) na impulz (n) vydelenému frekvenciou v MHz. Alebo PPI = 1,54 × n/f. Zníženie priestorovej dĺžky impulzu možno dosiahnuť (a to je veľmi dôležité pre zlepšenie axiálneho rozlíšenia) znížením počtu kmitov v impulze alebo zvýšením frekvencie. Amplitúda ultrazvukovej vlny je maximálna odchýlka pozorovanej fyzikálnej premennej od strednej hodnoty (obr. 7).

Ryža. 7. Amplitúda ultrazvukovej vlny

Intenzita ultrazvuku je pomer sily vlny k ploche, cez ktorú je ultrazvukový tok distribuovaný. Meria sa vo wattoch na štvorcový centimeter (W/cm2). Pri rovnakej sile žiarenia, čím menšia je plocha toku, tým vyššia je intenzita. Intenzita je tiež úmerná druhej mocnine amplitúdy. Ak sa teda amplitúda zdvojnásobí, intenzita sa zoštvornásobí. Intenzita je nerovnomerná ako v oblasti prietoku, tak v prípade pulzného ultrazvuku aj v čase.

Pri prechode akýmkoľvek médiom dôjde k zníženiu amplitúdy a intenzity ultrazvukového signálu, čo sa nazýva útlm. Útlm ultrazvukového signálu je spôsobený absorpciou, odrazom a rozptylom. Jednotkou útlmu je decibel (dB). Koeficient útlmu je útlm ultrazvukového signálu na jednotku dĺžky dráhy tohto signálu (dB/cm). Faktor tlmenia sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou. Priemerné koeficienty útlmu v mäkkých tkanivách a pokles intenzity echo signálu v závislosti od frekvencie sú uvedené v tabuľke 2.2.

ODRAZ A ROZPTYL

Pri prechode ultrazvuku tkanivami na hranici médií s rôznym akustickým odporom a rýchlosťou ultrazvuku dochádza k javom odrazu, lomu, rozptylu a absorpcie. V závislosti od uhla sa hovorí o kolmom a šikmom (pod uhlom) dopade ultrazvukového lúča. Pri kolmom dopade ultrazvukového lúča sa môže úplne odraziť alebo čiastočne odraziť, čiastočne prejsť cez hranicu dvoch médií; v tomto prípade sa smer ultrazvuku prenášaného z jedného média na druhé nemení (obr. 8).

Ryža. 8. Kolmý dopad ultrazvukového lúča.

Intenzita odrazeného ultrazvuku a ultrazvuku, ktorý prešiel hranicou média, závisí od počiatočnej intenzity a rozdielu akustických impedancií média. Pomer intenzity odrazenej vlny k intenzite dopadajúcej vlny sa nazýva koeficient odrazu. Pomer intenzity ultrazvukovej vlny, ktorá prešla hranicou prostredia, k intenzite dopadajúcej vlny sa nazýva koeficient vodivosti ultrazvuku. Ak teda tkanivá majú rôznu hustotu, ale rovnakú akustickú impedanciu, nedochádza k odrazu ultrazvuku. Na druhej strane, pri veľkom rozdiele akustických impedancií má intenzita odrazu tendenciu k 100 %. Príkladom toho je rozhranie vzduch/mäkké tkanivo. Takmer úplný odraz ultrazvuku nastáva na hranici týchto médií. Na zlepšenie vedenia ultrazvuku v tkanivách ľudského tela sa používajú spojovacie médiá (gél). Pri šikmom dopade ultrazvukového lúča sa zisťuje uhol dopadu, uhol odrazu a uhol lomu (obr. 9).

Ryža. 9. Odraz, lom.

Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu. Refrakcia je zmena smeru šírenia ultrazvukového lúča pri prechode cez hranicu prostredia s rôznymi rýchlosťami ultrazvuku. Sínus uhla lomu sa rovná súčinu sínusu uhla dopadu hodnotou získanou vydelením rýchlosti šírenia ultrazvuku v druhom prostredí rýchlosťou v prvom. Sínus uhla lomu a následne aj samotný uhol lomu, čím väčší, tým väčší je rozdiel v rýchlostiach šírenia ultrazvuku v dvoch prostrediach. Lom sa nepozoruje, ak sú rýchlosti šírenia ultrazvuku v dvoch prostrediach rovnaké alebo uhol dopadu je 0. Keď už hovoríme o odraze, treba mať na pamäti, že v prípade, keď je vlnová dĺžka oveľa väčšia ako rozmery nepravidelností odrazovej plochy dochádza k zrkadlovému odrazu (popísané vyššie). Ak je vlnová dĺžka porovnateľná s nepravidelnosťami odrazovej plochy alebo je tam nehomogenita samotného média, dochádza k rozptylu ultrazvuku.

Ryža. 10. Spätný rozptyl.

Pri spätnom rozptyle (obr. 10) sa ultrazvuk odráža v smere, odkiaľ prišiel pôvodný lúč. Intenzita rozptýlených signálov sa zvyšuje so zvyšovaním nehomogenity prostredia a so zvyšovaním frekvencie (t.j. s poklesom vlnovej dĺžky) ultrazvuku. Rozptyl relatívne málo závisí od smeru dopadajúceho lúča, a preto umožňuje lepšiu vizualizáciu reflexných plôch, nehovoriac o orgánovom parenchýme. Aby bol odrazený signál na obrazovke správne umiestnený, je potrebné poznať nielen smer vyžarovaného signálu, ale aj vzdialenosť k reflektoru. Táto vzdialenosť sa rovná 1/2 súčinu rýchlosti ultrazvuku v médiu a času medzi emisiou a príjmom odrazeného signálu (obr. 11). Súčin rýchlosti a času je rozdelený na polovicu, pretože ultrazvuk prechádza dvojitou dráhou (od žiariča k reflektoru a späť) a nás zaujíma iba vzdialenosť od žiariča k reflektoru.

Ryža. 11. Meranie vzdialenosti ultrazvukom.

SNÍMAČE A ULTRAZVUKOVÉ VLNY

Na získanie ultrazvuku sa používajú špeciálne prevodníky, ktoré premieňajú elektrickú energiu na ultrazvukovú energiu. Výroba ultrazvuku je založená na inverznom piezoelektrickom jave. Podstatou efektu je, že ak sa na určité materiály (piezoelektrika) privedie elektrické napätie, potom sa zmení ich tvar (obr. 12).

Ryža. 12. Reverzný piezoelektrický jav.

Na tento účel sa v ultrazvukových zariadeniach najčastejšie používajú umelé piezoelektrické materiály, ako je zirkoničitan olovnatý alebo titaničitan olovnatý. Pri absencii elektrického prúdu sa piezoelektrický prvok vráti do pôvodného tvaru a pri zmene polarity sa tvar opäť zmení, ale v opačnom smere. Ak sa na piezoelektrický prvok aplikuje rýchly striedavý prúd, prvok sa začne sťahovať a rozpínať (t.j. oscilovať) pri vysokej frekvencii, čím sa vytvorí ultrazvukové pole. Pracovná frekvencia meniča (rezonančná frekvencia) je určená pomerom rýchlosti šírenia ultrazvuku v piezoelektrickom prvku k dvojnásobku hrúbky tohto piezoelektrického prvku. Detekcia odrazených signálov je založená na priamom piezoelektrickom jave (obr. 13).

Ryža. 13. Priamy piezoelektrický jav.

Vracajúce sa signály spôsobujú oscilácie piezoelektrického prvku a výskyt striedavého elektrického prúdu na jeho plochách. V tomto prípade funguje piezoelektrický prvok ako ultrazvukový snímač. Zvyčajne sa rovnaké prvky používajú v ultrazvukových zariadeniach na vysielanie a prijímanie ultrazvuku. Preto sú pojmy "prevodník", "prevodník", "senzor" synonymá. Ultrazvukové snímače sú komplexné zariadenia a v závislosti od spôsobu snímania obrazu sa delia na snímače pre pomalé snímacie zariadenia (jeden prvok) a rýchle snímanie (skenovanie v reálnom čase) – mechanické a elektronické. Mechanické snímače môžu byť jedno- a viacprvkové (pruhové). Rozmietanie ultrazvukového lúča je možné dosiahnuť kývaním prvku, otáčaním prvku alebo kývaním akustického zrkadla (obr. 14).

Ryža. 14. Mechanické sektorové snímače.

Obraz na obrazovke má v tomto prípade podobu sektora (sektorové snímače) alebo kruhu (kruhové snímače). Elektronické snímače sú viacprvkové a podľa tvaru výsledného obrazu môžu byť sektorové, lineárne, konvexné (konvexné) (obr. 15).

Ryža. 15. Elektronické viacprvkové snímače.

Rozmietanie obrazu v sektorovom snímači sa dosahuje výkyvom ultrazvukového lúča pri jeho súčasnom zaostrovaní (obr. 16).

Ryža. 16. Elektronický sektorový snímač s fázovanou anténou.

V lineárnych a konvexných snímačoch sa rozmietanie obrazu dosahuje vybudením skupiny prvkov ich postupným pohybom po anténnom poli so súčasným zaostrovaním (obr. 17).

Ryža. 17. Elektronický lineárny snímač.

Ultrazvukové snímače sa v detailoch navzájom líšia, ale ich schematický diagram je znázornený na obrázku 18.

Ryža. 18. Ultrazvukové snímacie zariadenie.

Jednoprvkový menič vo forme disku v režime kontinuálneho žiarenia tvorí ultrazvukové pole, ktorého tvar sa mení v závislosti od vzdialenosti (obr. 19).

Ryža. 19. Dve polia nezaostreného prevodníka.

Niekedy možno pozorovať ďalšie ultrazvukové "toky", nazývané bočné laloky. Vzdialenosť od disku k dĺžke blízkeho poľa (zóny) sa nazýva blízka zóna. Zóna za hranicou blízkeho sa nazýva vzdialená. Dĺžka blízkej zóny sa rovná pomeru druhej mocniny priemeru meniča k 4 vlnovým dĺžkam. Vo vzdialenej zóne sa priemer ultrazvukového poľa zväčšuje. Miesto najväčšieho zúženia ultrazvukového lúča sa nazýva oblasť zaostrenia a vzdialenosť medzi prevodníkom a oblasťou zaostrenia sa nazýva ohnisková vzdialenosť. Existujú rôzne spôsoby zaostrenia ultrazvukového lúča. Najjednoduchším spôsobom zaostrovania je akustická šošovka (obr. 20).

Ryža. 20. Zaostrovanie akustickou šošovkou.

Pomocou neho môžete zaostriť ultrazvukový lúč do určitej hĺbky, ktorá závisí od zakrivenia šošovky. Tento spôsob zaostrovania neumožňuje rýchlu zmenu ohniskovej vzdialenosti, čo je pri praktickej práci nepohodlné. Ďalším spôsobom zaostrovania je použitie akustického zrkadla (obr. 21).

Ryža. 21. Zaostrovanie akustickým zrkadlom.

V tomto prípade zmenou vzdialenosti medzi zrkadlom a meničom zmeníme ohniskovú vzdialenosť. V moderných prístrojoch s viacprvkovými elektronickými snímačmi je zaostrovanie založené na elektronickom zaostrovaní (obr. 17). Pri elektronickom zaostrovacom systéme môžeme meniť ohniskovú vzdialenosť z prístrojového panelu, pre každý obrázok však budeme mať len jednu zaostrovaciu zónu. Keďže sa na získanie obrazu používajú veľmi krátke ultrazvukové impulzy emitované 1000-krát za sekundu (frekvencia opakovania impulzov 1 kHz), zariadenie funguje 99,9 % času ako prijímač ozveny. S takouto časovou rezervou je možné naprogramovať zariadenie tak, že pri prvom snímaní obrazu sa zvolí zóna zaostrenia na blízko (obr. 22) a informácie prijaté z tejto zóny sa uložia.

Ryža. 22. Metóda dynamického zaostrovania.

Ďalej - výber ďalšej oblasti zamerania, získanie informácií, uloženie. Atď. Výsledkom je zložený obraz, ktorý je zaostrený cez celú hĺbku. Treba si však uvedomiť, že tento spôsob zaostrovania si vyžaduje značné množstvo času na získanie jedného obrazu (snímku), čo spôsobuje pokles snímkovej frekvencie a blikanie obrazu. Prečo sa toľko úsilia vynakladá na zaostrenie ultrazvukového lúča? Faktom je, že čím užší je lúč, tým lepšie je bočné (laterálne, v azimute) rozlíšenie. Bočné rozlíšenie je minimálna vzdialenosť medzi dvoma objektmi umiestnenými kolmo na smer šírenia energie, ktoré sú na obrazovke monitora prezentované ako samostatné štruktúry (obr. 23).

Ryža. 23. Metóda dynamického zaostrovania.

Bočné rozlíšenie sa rovná priemeru ultrazvukového lúča. Axiálne rozlíšenie je minimálna vzdialenosť medzi dvoma objektmi umiestnenými v smere šírenia energie, ktoré sú na obrazovke monitora prezentované ako samostatné štruktúry (obr. 24).

Ryža. 24. Axiálne rozlíšenie: čím kratší je ultrazvukový impulz, tým je lepší.

Axiálne rozlíšenie závisí od priestorového rozsahu ultrazvukového impulzu – čím kratší impulz, tým lepšie rozlíšenie. Na skrátenie pulzu sa používa mechanické aj elektronické tlmenie ultrazvukových vibrácií. Axiálne rozlíšenie je spravidla lepšie ako laterálne rozlíšenie.

POMALÉ SKENOVACIE ZARIADENIA

V súčasnosti sú pomalé (manuálne, komplexné) skenovacie zariadenia predmetom iba historického záujmu. Morálne zomreli s príchodom rýchlych skenovacích zariadení (zariadení, ktoré pracujú v reálnom čase). Ich hlavné komponenty sú však zachované aj v moderných zariadeniach (samozrejme s použitím modernej základne prvkov). Srdce je hlavný generátor impulzov (v moderných zariadeniach - výkonný procesor), ktorý riadi všetky systémy ultrazvukového zariadenia (obr. 25).

Ryža. 25. Bloková schéma ručného skenera.

Generátor impulzov vysiela elektrické impulzy do prevodníka, ktorý generuje ultrazvukový impulz a posiela ho do tkaniva, prijíma odrazené signály a premieňa ich na elektrické vibrácie. Tieto elektrické oscilácie sa potom posielajú do rádiofrekvenčného zosilňovača, ku ktorému je zvyčajne pripojený regulátor zosilnenia časovej amplitúdy (TAG) - regulátor kompenzácie absorpcie tkaniva do hĺbky. Vzhľadom na to, že k útlmu ultrazvukového signálu v tkanivách dochádza podľa exponenciálneho zákona, jas objektov na obrazovke postupne klesá s rastúcou hĺbkou (obr. 26).

Ryža. 26. Kompenzácia absorpcie tkaniva.

Pomocou lineárneho zosilňovača, t.j. zosilňovač proporcionálne zosilňujúci všetky signály by pri pokuse o zlepšenie vizualizácie hlbokých objektov prehĺbil signály v bezprostrednej blízkosti snímača. Tento problém rieši použitie logaritmických zosilňovačov. Ultrazvukový signál sa zosilňuje úmerne s oneskorením jeho návratu – čím neskôr sa vrátil, tým je zosilnenie silnejšie. Použitie TVG vám teda umožňuje dostať na obrazovku obraz s rovnakým jasom do hĺbky. Takto zosilnený vysokofrekvenčný elektrický signál je potom privádzaný do demodulátora, kde je usmernený a filtrovaný a opäť zosilnený na video zosilňovači je privádzaný na obrazovku monitora.

Na uloženie obrazu na obrazovke monitora je potrebná video pamäť. Dá sa rozdeliť na analógové a digitálne. Prvé monitory umožňovali prezentovať informácie v analógovej bistabilnej forme. Zariadenie nazývané diskriminátor umožnilo zmeniť prah diskriminácie - signály, ktorých intenzita bola pod prahom diskriminácie, ním neprešli a zodpovedajúce časti obrazovky zostali tmavé. Signály, ktorých intenzita prekročila prah diskriminácie, boli na obrazovke prezentované ako biele bodky. V tomto prípade jas bodov nezávisel od absolútnej hodnoty intenzity odrazeného signálu – všetky biele body mali rovnaký jas. Pri tomto spôsobe prezentácie obrazu - nazývalo sa to "bistabilné" - boli hranice orgánov a vysoko reflexné štruktúry (napríklad obličkový sínus) jasne viditeľné, nebolo však možné posúdiť štruktúru parenchýmových orgánov. Vzhľad zariadení v 70. rokoch, ktoré umožňovali prenášať odtiene šedej na obrazovke monitora, znamenal začiatok éry zariadení v odtieňoch šedej. Tieto zariadenia umožnili získať informácie, ktoré boli pomocou zariadení s bistabilným obrazom nedosiahnuteľné. Rozvoj počítačovej techniky a mikroelektroniky čoskoro umožnil prejsť od analógových obrazov k digitálnym. Digitálne obrazy v ultrazvukových zariadeniach sa vytvárajú na veľkých matriciach (zvyčajne 512 × 512 pixelov) s počtom odtieňov šedej 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bitov). Pri vykresľovaní do hĺbky 20 cm na matici 512 × 512 pixelov bude jeden pixel zodpovedať lineárnemu rozmeru 0,4 mm. Moderné prístroje majú tendenciu zväčšovať veľkosť displeja bez obetovania kvality obrazu a na prístrojoch strednej triedy sa 12-palcové (uhlopriečka 30 cm) stávajú samozrejmosťou.

Katódová trubica ultrazvukového zariadenia (displej, monitor) využíva ostro zaostrený elektrónový lúč na vytvorenie jasného bodu na obrazovke pokrytej špeciálnym fosforom. Pomocou vychyľovacích doštičiek je možné toto miesto pohybovať po obrazovke.

o Typ sweep (Amplitúda) na jednej osi je vynesená vzdialenosť od snímača, na druhej - intenzita odrazeného signálu (obr. 27).

Ryža. 27. Rozmietanie signálu typu A.

V moderných prístrojoch sa sweep typu A prakticky nepoužíva.

B-typ scan (Brightness - jas) umožňuje získať pozdĺž snímacej čiary informáciu o intenzite odrazených signálov v podobe rozdielu jasu jednotlivých bodov tvoriacich túto čiaru.

Príklad obrazovky: zametanie doľava B, napravo - M a kardiogram.

M-typ (niekedy TM) sweep (Motion - pohyb) umožňuje registrovať pohyb (pohyb) odrážajúcich sa štruktúr v čase. V tomto prípade sú vertikálne posuny odrážajúcich štruktúr zaznamenané vo forme bodov rôzneho jasu a horizontálne - posun polohy týchto bodov v čase (obr. 28).

Ryža. 28. Sweep typu M.

Na získanie dvojrozmerného tomografického obrazu je potrebné tak či onak posunúť čiaru skenovania pozdĺž roviny skenovania. V zariadeniach s pomalým skenovaním to bolo dosiahnuté manuálnym pohybom senzora po povrchu tela pacienta.

RÝCHLE SKENOVACIE ZARIADENIA

Rýchle skenery, alebo, ako sa častejšie nazývajú, skenery v reálnom čase, teraz úplne nahradili pomalé alebo manuálne skenery. Je to spôsobené množstvom výhod, ktoré tieto zariadenia majú: schopnosť vyhodnocovať pohyb orgánov a štruktúr v reálnom čase (t.j. takmer v rovnakom čase); prudké zníženie času stráveného výskumom; schopnosť vykonávať výskum cez malé akustické okná.

Ak sa dajú pomalé skenovacie zariadenia porovnať s kamerou (získanie statických záberov), tak zariadenia v reálnom čase možno porovnať s kinom, kde sa statické obrazy (snímky) s veľkou frekvenciou navzájom nahrádzajú a vytvárajú dojem pohybu.

V zariadeniach na rýchle skenovanie, ako je uvedené vyššie, sa používajú mechanické a elektronické sektorové snímače, elektronické lineárne snímače, elektronické konvexné (konvexné) snímače a mechanické radiálne snímače.

Pred časom sa na množstve zariadení objavili lichobežníkové snímače, ktorých zorné pole malo lichobežníkový tvar, nevykazovali však výhody oproti konvexným snímačom, ale sami mali množstvo nevýhod.

V súčasnosti je najlepším senzorom na vyšetrenie orgánov brušnej dutiny, retroperitoneálneho priestoru a malej panvy ten konvexný. Má relatívne malú kontaktnú plochu a veľmi veľké zorné pole v stredných a vzdialených zónach, čo zjednodušuje a urýchľuje štúdium.

Pri skenovaní ultrazvukovým lúčom sa výsledok každého úplného prechodu lúča nazýva rám. Rám je tvorený veľkým počtom zvislých čiar (obr. 29).

Ryža. 29. Tvorba obrazu samostatnými čiarami.

Každý riadok je aspoň jeden ultrazvukový impulz. Frekvencia opakovania impulzov na získanie obrazu v odtieňoch šedej v moderných prístrojoch je 1 kHz (1000 impulzov za sekundu).

Existuje vzťah medzi frekvenciou opakovania impulzov (PRF), počtom riadkov tvoriacich snímku a počtom snímok za jednotku času: PRF = počet riadkov × snímková frekvencia.

Na obrazovke monitora bude kvalita výsledného obrazu určená najmä hustotou čiar. Pre lineárny snímač je hustota čiar (riadky/cm) pomer počtu čiar tvoriacich rám k šírke časti monitora, na ktorej sa vytvára obraz.

Pre senzor sektorového typu je hustota čiar (riadky/stupeň) pomer počtu čiar tvoriacich rámec k uhlu sektora.

Čím vyššia je snímková frekvencia nastavená v zariadení, tým nižší je počet riadkov tvoriacich snímku (pri danej frekvencii opakovania impulzov), tým nižšia je hustota čiar na obrazovke monitora a tým nižšia je kvalita výsledného obrazu. Ale pri vysokej snímkovej frekvencii máme dobré časové rozlíšenie, čo je veľmi dôležité pri echokardiografických štúdiách.

DOPPLEROGRAFICKÉ ZARIADENIA

Ultrazvuková výskumná metóda umožňuje získať nielen informácie o štrukturálnom stave orgánov a tkanív, ale aj charakterizovať toky v cievach. Táto schopnosť je založená na Dopplerovom efekte – zmene frekvencie prijímaného zvuku pri pohybe vzhľadom na médium zdroja alebo prijímača zvuku alebo telesa, ktoré zvuk rozptyľuje. Pozoruje sa to vďaka skutočnosti, že rýchlosť šírenia ultrazvuku v akomkoľvek homogénnom médiu je konštantná. Preto, ak sa zdroj zvuku pohybuje konštantnou rýchlosťou, zvukové vlny vysielané v smere pohybu sa zdajú byť stlačené, čím sa zvyšuje frekvencia zvuku. Vlny vyžarované v opačnom smere, akoby natiahnuté, čo spôsobilo pokles frekvencie zvuku (obr. 30).

Ryža. 30. Dopplerov efekt.

Porovnaním pôvodnej ultrazvukovej frekvencie s upravenou je možné určiť Dollerov posun a vypočítať rýchlosť. Nezáleží na tom, či zvuk vydáva pohybujúci sa objekt alebo či objekt odráža zvukové vlny. V druhom prípade môže byť zdroj ultrazvuku stacionárny (ultrazvukový senzor) a pohybujúce sa erytrocyty môžu pôsobiť ako reflektor ultrazvukových vĺn. Dopplerov posun môže byť buď pozitívny (ak sa reflektor pohybuje smerom k zdroju zvuku) alebo negatívny (ak sa reflektor pohybuje preč od zdroja zvuku). V prípade, že smer dopadu ultrazvukového lúča nie je rovnobežný so smerom pohybu reflektora, je potrebné korigovať Dopplerov posun o kosínus uhla q medzi dopadajúcim lúčom a smerom pohybu reflektora. reflektor (obr. 31).

Ryža. 31. Uhol medzi dopadajúcim lúčom a smerom toku krvi.

Na získanie dopplerovských informácií sa používajú dva typy zariadení - konštantná vlna a pulzná. V kontinuálnom vlnovom Dopplerovom prístroji sa prevodník skladá z dvoch prevodníkov: jeden z nich neustále vysiela ultrazvuk, druhý neustále prijíma odrazené signály. Prijímač určuje Dopplerov posun, ktorý je typicky -1/1000 frekvencie zdroja ultrazvuku (počuteľný rozsah) a prenáša signál do reproduktorov a paralelne do monitora na kvalitatívne a kvantitatívne vyhodnotenie tvaru vlny. Prístroje s konštantnou vlnou detegujú prietok krvi takmer po celej dráhe ultrazvukového lúča, inak povedané, majú veľký kontrolný objem. To môže spôsobiť neadekvátne získanie informácií, keď niekoľko ciev vstúpi do kontrolného objemu. Veľký kontrolný objem je však užitočný pri výpočte poklesu tlaku pri stenóze chlopne.

Na vyhodnotenie prietoku krvi v akejkoľvek konkrétnej oblasti je potrebné umiestniť kontrolný objem do skúmanej oblasti (napríklad do určitej cievy) pod vizuálnou kontrolou na obrazovke monitora. To sa dá dosiahnuť použitím pulzného zariadenia. Existuje horná hranica Dopplerovho posunu, ktorú možno zistiť pulznými prístrojmi (niekedy nazývaná aj Nyquistova hranica). Je to približne 1/2 frekvencie opakovania pulzu. Pri jej prekročení je Dopplerovo spektrum skreslené (aliasing). Čím vyššia je frekvencia opakovania impulzov, tým väčší Dopplerov posun možno určiť bez skreslenia, ale tým nižšia je citlivosť prístroja na toky s nízkou rýchlosťou.

Vzhľadom na to, že ultrazvukové impulzy smerované do tkanív obsahujú okrem hlavnej frekvencie aj veľké množstvo frekvencií a tiež vzhľadom na to, že rýchlosti jednotlivých úsekov toku nie sú rovnaké, odrazený impulz pozostáva z veľkého počet rôznych frekvencií (obr. 32).

Ryža. 32. Graf spektra ultrazvukového impulzu.

Pomocou rýchlej Fourierovej transformácie je možné frekvenčné zloženie impulzu znázorniť ako spektrum, ktoré je možné zobraziť na obrazovke monitora ako krivku, kde sú frekvencie Dopplerovho posunu vynesené horizontálne a amplitúda každej zložky je vynesená vertikálne. Z Dopplerovho spektra je možné určiť veľké množstvo rýchlostných parametrov prietoku krvi (maximálna rýchlosť, rýchlosť na konci diastoly, priemerná rýchlosť atď.), tieto ukazovatele sú však závislé od uhla a ich presnosť veľmi závisí od presnosť korekcie uhla. A ak vo veľkých nekľukatých cievach korekcia uhla nespôsobuje problémy, tak v malých kľukatých cievach (nádorových cievach) je pomerne ťažké určiť smer toku. Na vyriešenie tohto problému bolo navrhnutých niekoľko indexov takmer nezávislých od uhlíka, z ktorých najbežnejšie sú index odporu a index pulzácie. Index odporu je pomer rozdielu medzi maximálnymi a minimálnymi rýchlosťami k maximálnemu prietoku (obr. 33). Pulzačný index je pomer rozdielu medzi maximálnou a minimálnou rýchlosťou k priemernej rýchlosti prúdenia.

Ryža. 33. Výpočet indexu odporu a indexu pulzátora.

Získanie Dopplerovho spektra z jedného kontrolného objemu umožňuje vyhodnotiť prietok krvi vo veľmi malej oblasti. Zobrazovanie farebného toku (Color Doppler) poskytuje okrem bežného 2D zobrazovania v odtieňoch šedej informácie o 2D prietoku krvi v reálnom čase. Farebné dopplerovské zobrazovanie rozširuje možnosti pulzného princípu získavania obrazu. Signály odrazené od nehybných štruktúr sú rozpoznané a prezentované v odtieňoch šedej. Ak má odrazený signál inú frekvenciu ako vyžarovaný, znamená to, že sa odrazil od pohybujúceho sa objektu. V tomto prípade sa určuje Dopplerov posun, jeho znamienko a hodnota priemernej rýchlosti. Tieto parametre sa používajú na určenie farby, jej sýtosti a jasu. Smer toku smerom k snímaču je zvyčajne označený červenou farbou a smerom od snímača modrou farbou. Jas farby je určený prietokom.

V posledných rokoch sa objavil variant farebného dopplerovského mapovania, nazývaný „power Doppler“ (Power Doppler). Pri výkonovom Dopplerovi sa neurčuje hodnota Dopplerovho posunu odrazeného signálu, ale jeho energia. Tento prístup umožňuje zvýšiť citlivosť metódy na nízke rýchlosti a urobiť ju takmer nezávislou od uhla, aj keď za cenu straty schopnosti určiť absolútnu hodnotu rýchlosti a smeru prúdenia.

ARTEFAKTY

Artefaktom v ultrazvukovej diagnostike je výskyt neexistujúcich štruktúr na snímke, absencia existujúcich štruktúr, nesprávne umiestnenie štruktúr, nesprávna svetlosť štruktúr, nesprávne obrysy štruktúr, nesprávne veľkosti štruktúr. Dozvuk, jeden z najbežnejších artefaktov, nastáva, keď ultrazvukový impulz zasiahne dva alebo viac reflexných povrchov. V tomto prípade sa časť energie ultrazvukového impulzu opakovane odráža od týchto plôch, pričom sa zakaždým v pravidelných intervaloch čiastočne vracia späť do snímača (obr. 34).

Ryža. 34. Reverb.

Výsledkom toho bude, že sa na obrazovke monitora objavia neexistujúce reflexné plochy, ktoré budú umiestnené za druhým reflektorom vo vzdialenosti rovnajúcej sa vzdialenosti medzi prvým a druhým reflektorom. Niekedy je možné znížiť dozvuky zmenou polohy snímača. Variantom reverbu je artefakt nazývaný „chvost kométy“. Pozoruje sa v prípade, keď ultrazvuk spôsobuje prirodzené oscilácie objektu. Tento artefakt je často pozorovaný za malými bublinkami plynu alebo malými kovovými predmetmi. Vzhľadom na to, že nie vždy sa celý odrazený signál vráti späť do snímača (obr. 35), vzniká artefakt efektívnej odrazovej plochy, ktorá je menšia ako skutočná odrazová plocha.

Ryža. 35. Efektívna reflexná plocha.

Kvôli tomuto artefaktu sú veľkosti kameňov určené pomocou ultrazvuku zvyčajne o niečo menšie ako skutočné. Refrakcia môže spôsobiť nesprávnu polohu objektu vo výslednom obraze (obr. 36).

Ryža. 36. Efektívna reflexná plocha.

V prípade, že dráha ultrazvuku od meniča k reflexnej štruktúre a späť nie je rovnaká, dochádza k nesprávnej polohe objektu vo výslednom obraze. Zrkadlové artefakty predstavujú vzhľad objektu umiestneného na jednej strane silného reflektora na jeho druhej strane (obr. 37).

Ryža. 37. Zrkadlový artefakt.

V blízkosti otvoru sa často vyskytujú zrkadlové artefakty.

Akustický tieňový artefakt (obr. 38) sa vyskytuje za štruktúrami, ktoré silne odrážajú alebo silne absorbujú ultrazvuk. Mechanizmus vzniku akustického tieňa je podobný ako pri vzniku optického.

Ryža. 38. Akustický tieň.

Artefakt zosilnenia distálneho signálu (obr. 39) sa vyskytuje za štruktúrami, ktoré slabo absorbujú ultrazvuk (kvapalné útvary obsahujúce tekutinu).

Ryža. 39. Distálne zosilnenie ozveny.

Artefakt bočných tieňov je spojený s lomom a niekedy aj interferenciou ultrazvukových vĺn, keď ultrazvukový lúč dopadá tangenciálne na konvexný povrch (cysta, krčný žlčník) štruktúry, pričom rýchlosť prenosu ultrazvuku sa výrazne líši od okolitých tkanív ( Obr. 40).

Ryža. 40. Bočné tiene.

Artefakty spojené s nesprávnym určením rýchlosti ultrazvuku vznikajú v dôsledku skutočnosti, že skutočná rýchlosť šírenia ultrazvuku v konkrétnom tkanive je väčšia alebo menšia ako priemerná (1,54 m/s) rýchlosť, na ktorú je prístroj naprogramovaný (obr. 41).

Ryža. 41. Skreslenia spôsobené rozdielmi v rýchlosti ultrazvuku (V1 a V2) v rôznych médiách.

Artefakty hrúbky ultrazvukového lúča sú objavenie sa, najmä v orgánoch obsahujúcich kvapalinu, odrazov blízko steny v dôsledku skutočnosti, že ultrazvukový lúč má špecifickú hrúbku a časť tohto lúča môže súčasne vytvárať obraz orgánu a obraz priľahlých štruktúr (obr. 42).

Ryža. 42. Artefakt hrúbky ultrazvukového lúča.

KONTROLA KVALITY PREVÁDZKY ULTRAZVUKOVÝCH ZARIADENÍ

Kontrola kvality ultrazvukového zariadenia zahŕňa určenie relatívnej citlivosti systému, axiálneho a bočného rozlíšenia, mŕtvej zóny, správnej činnosti diaľkomeru, presnosti registrácie, správnej činnosti TVG, určenia dynamického rozsahu sivej stupnice atď. . Na kontrolu kvality činnosti ultrazvukových prístrojov sa používajú špeciálne testovacie objekty alebo fantómy ekvivalentné tkanivu (obr. 43). Sú komerčne dostupné, ale u nás nie sú veľmi používané, čo takmer znemožňuje kalibráciu ultrazvukových diagnostických zariadení v teréne.

Ryža. 43. Testovací objekt Amerického inštitútu ultrazvuku v medicíne.

BIOLOGICKÝ ÚČINOK ULTRAZVUKU A BEZPEČNOSŤ

V literatúre sa neustále diskutuje o biologickom účinku ultrazvuku a jeho bezpečnosti pre pacienta. Poznatky o biologických účinkoch ultrazvuku sú založené na štúdiu mechanizmov pôsobenia ultrazvuku, štúdiu vplyvu ultrazvuku na bunkové kultúry, experimentálnych štúdiách na rastlinách, zvieratách a napokon na epidemiologických štúdiách.

Ultrazvuk môže spôsobiť biologický účinok prostredníctvom mechanických a tepelných vplyvov. Útlm ultrazvukového signálu je spôsobený absorpciou, t.j. premena energie ultrazvukových vĺn na teplo. Prehrievanie tkanív sa zvyšuje so zvyšujúcou sa intenzitou emitovaného ultrazvuku a jeho frekvenciou. Kavitácia je tvorba pulzujúcich bublín v kvapaline naplnenej plynom, parou alebo ich zmesou. Jednou z príčin kavitácie môže byť ultrazvuková vlna. Je teda ultrazvuk škodlivý alebo nie?

Výskum týkajúci sa účinkov ultrazvuku na bunky, experimentálna práca na rastlinách a zvieratách a epidemiologické štúdie viedli Americký inštitút ultrazvuku v medicíne k nasledujúcemu konštatovaniu, ktoré bolo naposledy potvrdené v roku 1993:

"U pacientov alebo osôb pracujúcich na prístroji neboli nikdy zaznamenané potvrdené biologické účinky spôsobené žiarením (ultrazvukom), ktorého intenzita je typická pre moderné ultrazvukové diagnostické zariadenia. Aj keď je možné, že takéto biologické účinky môžu byť zistené aj v budúcnosti súčasné údaje naznačujú, že prínos pre pacienta z obozretného používania diagnostického ultrazvuku prevyšuje potenciálne riziko, ak nejaké existuje.“

NOVÉ SMERY V ULTRAZVUKOVEJ DIAGNOSTIKE

Dochádza k prudkému rozvoju ultrazvukovej diagnostiky, neustálemu zdokonaľovaniu ultrazvukových diagnostických prístrojov. Môžeme predpokladať niekoľko hlavných smerov budúceho vývoja tejto diagnostickej metódy.

Možné je ďalšie zdokonaľovanie dopplerovských techník, najmä ako power doppler, dopplerovské farebné zobrazovanie tkanív.

Trojrozmerná echografia sa v budúcnosti môže stať veľmi dôležitou oblasťou ultrazvukovej diagnostiky. V súčasnosti existuje niekoľko komerčne dostupných ultrazvukových diagnostických jednotiek, ktoré umožňujú trojrozmernú rekonštrukciu obrazu, pričom klinický význam tohto smeru zostáva nejasný.

Koncept použitia ultrazvukových kontrastov prvýkrát predložili R. Gramiak a P.M. Shah koncom šesťdesiatych rokov počas echokardiografickej štúdie. V súčasnosti je komerčne dostupný kontrast "Ehovist" (Shering), ktorý sa používa na zobrazenie pravého srdca. Nedávno bol upravený tak, aby sa zmenšila veľkosť kontrastných častíc a môže byť recyklovaný v ľudskom obehovom systéme (Levovist, Schering). Tento liek výrazne zlepšuje dopplerovský signál, spektrálny aj farebný, čo môže byť nevyhnutné na posúdenie prietoku krvi v nádore.

Intrakavitárna echografia s použitím ultratenkých senzorov otvára nové možnosti pre štúdium dutých orgánov a štruktúr. V súčasnosti je však rozšírené používanie tejto techniky obmedzené vysokými nákladmi na špecializované senzory, ktoré sa navyše dajú použiť na výskum obmedzený počet krát (1÷40).

Počítačové spracovanie obrazu za účelom objektivizácie získaných informácií je perspektívnym smerom, ktorý môže v budúcnosti zlepšiť presnosť diagnostiky drobných štrukturálnych zmien v parenchýmových orgánoch. Bohužiaľ, doteraz získané výsledky nemajú žiadny významný klinický význam.

Napriek tomu to, čo sa včera zdalo ako vzdialená budúcnosť ultrazvukovej diagnostiky, sa dnes stalo bežnou rutinnou praxou a pravdepodobne v blízkej budúcnosti budeme svedkami zavádzania nových ultrazvukových diagnostických techník do klinickej praxe.

LITERATÚRA

Americký inštitút ultrazvuku v medicíne. Výbor pre bioefekty AIUM. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R14.
AIUM Hodnotenie výskumných správ o biologických účinkoch. Bethesda, MD, Americký inštitút ultrazvuku v medicíne, 1984.
Americký inštitút ultrazvuku v medicíne. Bezpečnostné vyhlásenia AIUM. - J. Ultrasound Med., 1983; 2: R69.
Americký inštitút ultrazvuku v medicíne. Vyhlásenie o klinickej bezpečnosti. - J. Ultrasound Med. - 1984; 3:R10.
Banjavic RA. Návrh a údržba zabezpečenia kvality pre diagnostické ultrazvukové zariadenia. - Semin. Ultrazvuk - 1983; 4:10-26.
Výbor pre bioefekty. Bezpečnostné úvahy pre diagnostický ultrazvuk. Laurel, MD, Americký inštitút ultrazvuku v medicíne, 1991.
Podvýbor konferencie pre bioefekty. Bioefekty a bezpečnosť diagnostického ultrazvuku. Laurel, MD, Americký inštitút ultrazvuku v medicíne, 1993.
Eden A. Hľadanie Christiana Dopplera. New York, Springer-Verlag, 1992.
Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, a kol. Dopplerovský ultrazvuk: Fyzika, prístrojové vybavenie a klinické aplikácie. New York, Wiley & Sons, 1989.
Gil RW. Meranie prietoku krvi ultrazvukom: presnosť a zdroje chýb. - Ultrazvuk Med. Biol. - 1985; 11:625-641.
Guyton AC. Učebnica lekárskej fyziológie. 7. vydanie. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
Hunter TV, Haber K. Porovnanie skenovania v reálnom čase s konvenčným statickým skenovaním v B-režime. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2:363-368.
Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Dopplerovské zobrazenie farebného toku. New York, Churchill Livingstone, 1988.
Kremkau F.W. Biologické účinky a možné nebezpečenstvá. In: Campbell S, ed. Ultrazvuk v gynekológii a pôrodníctve. Londýn, WB Saunders, 1983, 395-405.
Kremkau F.W. Chyba Dopplerovho uhla v dôsledku lomu. - Ultrazvuk Med. Biol. - 1990; 16:523-524. - 1991; 17:97.
Kremkau F.W. Údaje o frekvencii Dopplerovho posunu. - J. Ultrasound Med. - 1987; 6:167.
Kremkau F.W. Bezpečnosť a dlhodobé účinky ultrazvuku: Čo povedať svojim pacientom. In: Platt LD, ed. perinatálny ultrazvuk; Clin. obstet. Gynecol.- 1984; 27:269-275.
Kremkau F.W. Technické témy (stĺpec, ktorý sa raz za dva mesiace objavuje v sekcii Úvahy). - J. Ultrasound Med. - 1983; 2.
Laing FC Bežne sa vyskytujúce artefakty v klinickom ultrazvuku. - Semin. Ultrazvuk-1983; 4:27-43.
Merrit CRB, vyd. Dopplerovské farebné zobrazovanie. New York, Churchill Livingstone, 1992.
MilnorWR. hemodynamika. 2. vydanie. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
Nachtigall PE, Moore PWB. Sonar zvierat. New York, Plenum Press, 1988.
Nichols WW, O "Rourke MF. McDonald's Blood Flow in Arterials. Philadelphia, Lea & Febiger, 1990.
Powis RL, Schwartz RA. Praktický dopplerovský ultrazvuk pre lekára. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
Bezpečnostné úvahy pre diagnostický ultrazvuk. Bethesda, MD, Americký inštitút ultrazvuku v medicíne, 1984.
Smith HJ, Zagzebski J. Základná dopplerovská fyzika. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
Zweibel WJ. Prehľad základných pojmov v diagnostickom ultrazvuku. - Semin. Ultrazvuk - 1983; 4:60-62.
Zwiebel WJ. fyzika. - Semin. Ultrazvuk - 1983; 4:1-62.
P. Golyamina, kap. vyd. Ultrazvuk. Moskva, "Sovietska encyklopédia", 1979.

TESTOVACIE OTÁZKY

Základom metódy ultrazvukového výskumu je:
A. vizualizácia orgánov a tkanív na obrazovke prístroja
B. interakcia ultrazvuku s tkanivami ľudského tela
B. prijímanie ozvien
G. ultrazvukové žiarenie
D. zobrazenie obrazu v odtieňoch sivej na obrazovke prístroja
Ultrazvuk je zvuk, ktorého frekvencia nie je nižšia ako:
a.15 kHz
B. 20 000 Hz
B. 1 MHz D. 30 Hz E. 20 Hz
Rýchlosť šírenia ultrazvuku sa zvyšuje, ak:
A. hustota média sa zvyšuje
B. hustota média klesá
B. zvyšuje sa elasticita
D. hustota, pružnosť zvýšenie
D. hustota klesá, elasticita sa zvyšuje
Priemerná rýchlosť šírenia ultrazvuku v mäkkých tkanivách je:
A. 1450 m/s
B. 1620 m/s
B. 1540 m/s
D. 1300 m/s
D. 1420 m/s
Rýchlosť šírenia ultrazvuku je určená:
A. Frekvencia
B. Amplitúda
B. Vlnová dĺžka
G. obdobie
D. Streda
Vlnová dĺžka v mäkkých tkanivách so zvyšujúcou sa frekvenciou:
A. klesajúci
B. zostáva nezmenená
B. zvyšuje
S hodnotami rýchlosti šírenia ultrazvuku a frekvencie môžeme vypočítať:
A. Amplitúda
B. obdobie
B. Vlnová dĺžka
D. amplitúda a perióda E. perióda a vlnová dĺžka
So zvyšujúcou sa frekvenciou koeficient útlmu v mäkkých tkanivách:
A. klesajúci
B. zostáva nezmenená
B. zvyšuje
Ktorý z nasledujúcich parametrov určuje vlastnosti média, cez ktoré ultrazvuk prechádza:
a.odpor
B. intenzita
B. Amplitúda
G frekvencia
D. obdobie
Ktorý z nasledujúcich parametrov nemožno určiť zo zvyšných dostupných parametrov:
A. Frekvencia
B. obdobie
B. Amplitúda
G. Vlnová dĺžka
D. rýchlosť šírenia
Ultrazvuk sa odráža od hranice médií, ktoré majú rozdiely v:
A. Hustota
B. Akustická impedancia
B. rýchlosť ultrazvuku
G. elasticita
D. Rýchlosť a elasticita ultrazvuku
Aby ste mohli vypočítať vzdialenosť k reflektoru, potrebujete vedieť:
A. útlm, rýchlosť, hustota
B. útlm, odpor
B. útlm, absorpcia
D. čas návratu signálu, rýchlosť
D. hustota, rýchlosť
Ultrazvuk je možné zamerať:
a) pokrčený prvok
B. zakrivený reflektor
B. Lens
G. fázovaná anténa
D. všetky vyššie uvedené
Axiálne rozlíšenie je určené:
A. zaostrovanie
B. vzdialenosť objektu
B. typ snímača
D. Streda
Priečne rozlíšenie je určené:
A. zaostrovanie
B. vzdialenosť objektu
B. typ snímača
G. počet kmitov v impulze
D streda

Kapitola zo zväzku I príručky k ultrazvukovej diagnostike,

napísali pracovníci Oddelenia ultrazvukovej diagnostiky

Ruská lekárska akadémia postgraduálneho vzdelávania

Frekvencie 16 Hz - 20 kHz, ktoré je ľudské načúvací prístroj schopný vnímať, sa zvyčajne nazývajú zvukové alebo akustické, napríklad škrípanie komára „10 kHz. Ale vzduch, hlbiny morí a útroby zeme sú naplnené zvukmi, ktoré ležia mimo tohto rozsahu – infra a ultrazvuk. V prírode sa ultrazvuk nachádza ako súčasť mnohých prírodných zvukov, v šume vetra, vodopádu, dažďa, morských kamienkov, valených príbojom, vo výbojoch bleskov. Mnoho cicavcov, ako sú mačky a psy, má schopnosť vnímať ultrazvuk až do 100 kHz a lokalizačné schopnosti netopierov, nočného hmyzu a morských živočíchov sú všetkým dobre známe. Existencia takýchto zvukov bola objavená s rozvojom akustiky až koncom 19. storočia. Zároveň sa začali prvé štúdie ultrazvuku, no základy jeho aplikácie boli položené až v prvej tretine 20. storočia.

Čo je ultrazvuk

Ultrazvukové vlny (nepočuteľný zvuk) sa svojou povahou nelíšia od vĺn počuteľného rozsahu a riadia sa rovnakými fyzikálnymi zákonmi. Ale ultrazvuk má špecifické vlastnosti, ktoré určili jeho široké využitie vo vede a technike.

Tu sú tie hlavné:

Malá vlnová dĺžka. Pre najnižší rozsah ultrazvuku nepresahuje vlnová dĺžka vo väčšine médií niekoľko centimetrov. Krátka vlnová dĺžka určuje charakter lúča šírenia ultrazvukových vĺn. V blízkosti žiariča sa ultrazvuk šíri vo forme lúčov s veľkosťou blízkou veľkosti žiariča. Ultrazvukový lúč sa pri dopade na nehomogenity v médiu chová ako svetelný lúč, dochádza k odrazu, lomu, rozptylu, čo umožňuje vytvárať zvukové obrazy v opticky nepriehľadnom médiu s použitím čisto optických efektov (zaostrenie, difrakcia atď.).
Malá perióda oscilácií, ktorá umožňuje vyžarovať ultrazvuk vo forme impulzov a vykonávať presnú časovú selekciu šíriacich sa signálov v médiu.
Možnosť získania vysokých hodnôt intenzity kmitov pri malej amplitúde, pretože energia kmitov je úmerná druhej mocnine frekvencie. To umožňuje vytvárať ultrazvukové lúče a polia s vysokou úrovňou energie bez potreby veľkého vybavenia.
V ultrazvukovom poli vznikajú výrazné akustické prúdy, takže vplyvom ultrazvuku na médium vznikajú špecifické fyzikálne, chemické, biologické a medicínske efekty, ako je kavitácia, kapilárny efekt, disperzia, emulgácia, odplyňovanie, dezinfekcia, lokálne zahrievanie a mnohé ďalšie.

História ultrazvuku

Pozornosť na akustiku vyvolali potreby námorníctva popredných mocností – Anglicka a Francúzska, pretože. akustický - jediný typ signálu, ktorý môže vo vode cestovať ďaleko. V roku 1826 francúzsky vedec Colladon určil rýchlosť zvuku vo vode. Colladonov experiment je považovaný za zrod modernej hydroakustiky. K nárazu na podvodný zvon v Ženevskom jazere došlo pri súčasnom zapálení pušného prachu. Záblesk pušného prachu pozoroval Colladon vo vzdialenosti 10 míľ. Zvuk zvonu počul aj cez podvodnú zvukovú trubicu. Zmeraním časového intervalu medzi týmito dvoma udalosťami Colladon vypočítal rýchlosť zvuku – 1435 m/s. Rozdiel oproti moderným výpočtom je len 3 m/s.

V roku 1838 sa v Spojených štátoch prvýkrát použil zvuk na určenie profilu morského dna. Zdrojom zvuku, ako pri Colladonovej skúsenosti, bol zvon znejúci pod vodou a prijímačom boli veľké načúvacie trubice, ktoré padali cez palubu. Výsledky experimentu boli sklamaním - zvuk zvonu, ako aj explózia prachových kaziet vo vode, vydávali príliš slabú ozvenu, takmer nepočuteľnú medzi ostatnými zvukmi mora. Bolo potrebné prejsť do oblasti vyšších frekvencií, ktoré by umožnili vytvárať smerované zvukové lúče.

Prvý ultrazvukový generátor vyrobil v roku 1883 Angličan Galton. Ultrazvuk vznikol ako vysoký zvuk na ostrí noža, keď naň dopadá prúd vzduchu. Úlohu takéhoto bodu v Galtonovej píšťalke zohral valec s ostrými hranami. Vzduch (alebo iný plyn) vystupujúci pod tlakom cez prstencovú trysku s priemerom zhodným s okrajom valca nabiehal proti nej a dochádzalo k vysokofrekvenčným osciláciám. Fúkaním na píšťalku vodíkom bolo možné získať oscilácie až do 170 kHz.

V roku 1880 urobili Pierre a Jacques Curie rozhodujúci objav pre ultrazvukovú technológiu. Bratia Curieovci si všimli, že pri pôsobení tlaku na kremenné kryštály vzniká elektrický náboj, ktorý je priamo úmerný sile pôsobiacej na kryštál. Tento jav sa nazýva "piezoelektrina" z gréckeho slova, ktoré znamená "lisovať". Okrem toho preukázali inverzný piezoelektrický efekt, ktorý nastáva, keď sa na kryštál aplikuje rýchlo sa meniaci elektrický potenciál, čo spôsobí jeho vibráciu. Odteraz je technicky možné vyrábať žiariče a prijímače ultrazvuku malých rozmerov.

Smrť Titanicu pri zrážke s ľadovcom, potreba boja s novou zbraňou – ponorkami si vyžiadala rýchly rozvoj ultrazvukovej hydroakustiky. V roku 1914 francúzsky fyzik Paul Langevin spolu s ruským vedcom žijúcim vo Švajčiarsku Konstantinom Shilovskym prvýkrát vyvinuli sonar pozostávajúci z ultrazvukového žiariča a hydrofónu - prijímača ultrazvukových vibrácií na báze piezoelektrického javu. Sonar Langevin-Shilovsky bol prvým ultrazvukovým prístrojom, ktorý sa používal v praxi. Taktiež začiatkom storočia ruský vedec S.Ya.Sokolov vyvinul základy ultrazvukovej detekcie defektov v priemysle. V roku 1937 nemecký psychiater Karl Dussik spolu so svojím bratom Friedrichom, fyzikom, prvýkrát použili ultrazvuk na detekciu mozgových nádorov, ale výsledky, ktoré získali, boli nespoľahlivé. V lekárskej diagnostike sa ultrazvuk začal používať až v 50. rokoch minulého storočia v USA.

Aplikácia ultrazvuku

Rôzne aplikácie ultrazvuku možno rozdeliť do troch oblastí:

prijímanie informácií pomocou ultrazvuku
vplyv na hmotu
spracovanie a prenos signálu

Závislosť rýchlosti šírenia a útlmu akustických vĺn od vlastností látky a procesov v nich prebiehajúcich sa používa na:

riadenie priebehu chemických reakcií, fázových prechodov, polymerizácie a pod.
stanovenie pevnostných charakteristík a zloženia materiálov,
stanovenie prítomnosti nečistôt,
určenie prietoku kvapaliny a plynu

Pomocou ultrazvuku môžete umývať, odpudzovať hlodavce, používať v medicíne, kontrolovať rôzne materiály, či nie sú defektné a oveľa viac.

Ultrazvuk

Ultrazvuk- elastické kmity s frekvenciou nad hranicou sluchu pre človeka. Zvyčajne sa za ultrazvukový rozsah považujú frekvencie nad 18 000 hertzov.

Hoci je existencia ultrazvuku známa už dlho, jeho praktické využitie je skôr mladé. V súčasnosti je ultrazvuk široko používaný v rôznych fyzikálnych a technologických metódach. Takže podľa rýchlosti šírenia zvuku v médiu sa posudzujú jeho fyzikálne vlastnosti. Merania rýchlosti na ultrazvukových frekvenciách umožňujú s veľmi malými chybami určiť napríklad adiabatické charakteristiky rýchlych procesov, hodnoty mernej tepelnej kapacity plynov a elastické konštanty pevných látok.

Zdroje ultrazvuku

Frekvencia ultrazvukových vibrácií používaných v priemysle a biológii leží v rozmedzí rádovo niekoľkých MHz. Takéto vibrácie sa zvyčajne vytvárajú pomocou piezokeramických meničov s titanitom bária. V prípadoch, kde má primárny význam sila ultrazvukových vibrácií, sa zvyčajne používajú mechanické zdroje ultrazvuku. Spočiatku boli všetky ultrazvukové vlny prijímané mechanicky (ladičky, píšťaly, sirény).

V prírode sa USA vyskytujú ako súčasť mnohých prírodných zvukov (v hluku vetra, vodopádu, dažďa, v hluku kamienkov valených morským príbojom, v zvukoch sprevádzajúcich výboje blesku atď.), ako aj medzi zvukmi zvieracieho sveta. Niektoré zvieratá využívajú ultrazvukové vlny na detekciu prekážok, orientáciu v priestore.

Ultrazvukové žiariče možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín. Prvý zahŕňa žiariče-generátory; oscilácie v nich sú excitované v dôsledku prítomnosti prekážok na ceste konštantného toku - prúdu plynu alebo kvapaliny. Druhá skupina žiaričov - elektroakustické meniče; premieňajú už dané výkyvy elektrického napätia alebo prúdu na mechanické kmitanie pevného telesa, ktoré vyžaruje do okolia akustické vlny.

Píšťal Galton

Prvú ultrazvukovú píšťalu vyrobil v roku 1883 Angličan Galton. Ultrazvuk tu vzniká ako vysoký zvuk na ostrí noža, keď naň dopadá prúd vzduchu. Úlohu takéhoto hrotu v Galtonovej píšťale zohráva „pysk“ v malej valcovej rezonančnej dutine. Vysokotlakový plyn prechádzajúci cez dutý valec naráža na tento "pysk"; vznikajú kmity, ktorých frekvencia (je to asi 170 kHz) je určená veľkosťou dýzy a pier. Sila Galtonovej píšťaly je nízka. Používa sa hlavne na zadávanie povelov pri výcviku psov a mačiek.

Kvapalná ultrazvuková píšťalka

Väčšina ultrazvukových píšťal môže byť prispôsobená na prácu v tekutom médiu. Kvapalné ultrazvukové píšťaly majú v porovnaní s elektrickými zdrojmi ultrazvuku nízky výkon, no niekedy napríklad pre ultrazvukovú homogenizáciu majú značnú výhodu. Keďže ultrazvukové vlny vznikajú priamo v kvapalnom médiu, nedochádza pri prechode z jedného média do druhého k strate energie ultrazvukových vĺn. Snáď najúspešnejší je návrh tekutej ultrazvukovej píšťaly, ktorý vyrobili anglickí vedci Kottel a Goodman začiatkom 50. rokov minulého storočia. V ňom vysokotlakový prúd tekutiny vystupuje z eliptickej dýzy a smeruje na oceľovú platňu. Rôzne modifikácie tohto dizajnu sa značne rozšírili, aby sa získali homogénne médiá. Vďaka jednoduchosti a stabilite ich konštrukcie (zničí sa iba oscilačná doska) sú takéto systémy odolné a lacné.

Siréna

Ďalším druhom mechanických zdrojov ultrazvuku je siréna. Má pomerne vysoký výkon a používa sa v policajných a hasičských autách. Všetky rotačné sirény pozostávajú z komory zhora uzavretej kotúčom (statorom), v ktorej je vytvorený veľký počet otvorov. Na kotúči otáčajúcom sa vnútri komory - rotora je rovnaký počet otvorov. Keď sa rotor otáča, poloha otvorov v ňom sa periodicky zhoduje s polohou otvorov na statore. Do komory je nepretržite privádzaný stlačený vzduch, ktorý z nej uniká v tých krátkych okamihoch, keď sa otvory na rotore a statore zhodujú.

Hlavnou úlohou pri výrobe sirén je po prvé urobiť do rotora čo najviac otvorov a po druhé dosiahnuť vysokú rýchlosť otáčania. Obe tieto požiadavky je však v praxi veľmi ťažké splniť.

Ultrazvuk v prírode

Aplikácia ultrazvuku

Diagnostické využitie ultrazvuku v medicíne (ultrazvuk)

Vďaka dobrému šíreniu ultrazvuku v mäkkých tkanivách človeka, jeho relatívnej neškodnosti v porovnaní s röntgenovým žiarením a jednoduchosti použitia v porovnaní s magnetickou rezonanciou je ultrazvuk široko používaný na vizualizáciu stavu vnútorných orgánov človeka, najmä v dutine brušnej a panvovej dutiny.

Terapeutické aplikácie ultrazvuku v medicíne

Okrem toho, že sa ultrazvuk široko používa na diagnostické účely (pozri Ultrazvuk), používa sa v medicíne ako terapeutické činidlo.

Ultrazvuk má tieto účinky:

protizápalové, absorbujúce
analgetikum, spazmolytikum
kavitačné zvýšenie priepustnosti kože

Fonoforéza je kombinovaná metóda, pri ktorej sú tkanivá ovplyvnené ultrazvukom a s ním zavádzané liečivé látky (lieky aj prírodného pôvodu). Vedenie látok pod pôsobením ultrazvuku je spôsobené zvýšením priepustnosti epidermy a kožných žliaz, bunkových membrán a cievnych stien pre látky s malou molekulovou hmotnosťou, najmä ióny bischofitu. Pohodlie ultrafonoforézy liekov a prírodných látok:

liečivá látka sa ultrazvukom nezničí
synergizmus pôsobenia ultrazvuku a terapeutickej látky

Indikácie pre bischofitovú ultrafonoforézu: artróza, osteochondróza, artritída, burzitída, epikondylitída, pätová ostroha, stavy po úrazoch pohybového aparátu; Neuritída, neuropatia, radikulitída, neuralgia, poranenie nervov.

Nanesie sa Bischofite-gel a pracovná plocha žiariča sa použije na mikromasáž postihnutého miesta. Technika je labilná, bežná pre ultrafonoforézu (pri UVF kĺbov, chrbtice je intenzita v krčnej oblasti 0,2-0,4 W/cm2, v hrudnej a driekovej oblasti - 0,4-0,6 W/cm2).

Rezanie kovov ultrazvukom

Na konvenčných strojoch na obrábanie kovov nie je možné vyvŕtať úzky otvor zložitého tvaru do kovovej časti, napríklad vo forme päťcípej hviezdy. Pomocou ultrazvuku je to možné, magnetostrikčný vibrátor dokáže vyvŕtať otvory akéhokoľvek tvaru. Ultrazvukový sekáč úplne nahrádza frézku. Zároveň je takýto dláto oveľa jednoduchší ako frézka a je lacnejšie a rýchlejšie s ním opracovať kovové diely ako s frézou.

Ultrazvuk dokáže dokonca špirálovité rezanie v kovových častiach, v skle, v rubíne, v diamante. Zvyčajne je závit najskôr vyrobený z mäkkého kovu a potom je časť vytvrdená. Na ultrazvukovom stroji je možné vyrobiť závity v už vytvrdenom kove a v najtvrdších zliatinách. To isté so známkami. Typicky sa pečiatka po starostlivom dokončení temperuje. Na ultrazvukovom stroji sa najkomplexnejšie spracovanie vykonáva abrazívom (šmirgľový, korundový prášok) v oblasti ultrazvukovej vlny. Pevné častice prášku neustále oscilujú v oblasti ultrazvuku do spracovávanej zliatiny a vyrezávajú otvor rovnakého tvaru, ako má dláto.

Príprava zmesí pomocou ultrazvuku

Ultrazvuk je široko používaný na prípravu homogénnych zmesí (homogenizácia). Už v roku 1927 americkí vedci Limus a Wood zistili, že ak sa dve nemiešateľné kvapaliny (napríklad olej a voda) nalejú do jednej kadičky a podrobia sa ožiareniu ultrazvukom, potom sa v kadičke vytvorí emulzia, teda jemná suspenzia olej vo vode. Takéto emulzie hrajú dôležitú úlohu v priemysle: sú to laky, farby, farmaceutické výrobky a kozmetika.

Využitie ultrazvuku v biológii

Schopnosť ultrazvuku rozbíjať bunkové membrány našla uplatnenie v biologickom výskume, napríklad v prípade potreby na oddelenie bunky od enzýmov. Ultrazvuk sa tiež používa na ničenie vnútrobunkových štruktúr, ako sú mitochondrie a chloroplasty, aby sa študoval vzťah medzi ich štruktúrou a funkciou. Ďalšia aplikácia ultrazvuku v biológii súvisí s jeho schopnosťou vyvolať mutácie. Štúdie uskutočnené v Oxforde ukázali, že aj ultrazvuk s nízkou intenzitou môže poškodiť molekulu DNA. Pri šľachtení rastlín hrá dôležitú úlohu umelá účelová tvorba mutácií. Hlavnou výhodou ultrazvuku oproti iným mutagénom (röntgenové lúče, ultrafialové lúče) je, že sa s ním mimoriadne ľahko pracuje.

Použitie ultrazvuku na čistenie

Použitie ultrazvuku na mechanické čistenie je založené na výskyte rôznych nelineárnych efektov v kvapaline pod jeho vplyvom. Patria sem kavitácia, akustické prúdy, akustický tlak. Hlavnú úlohu hrá kavitácia. Jeho bubliny, ktoré vznikajú a padajú v blízkosti znečistenia, ich ničia. Tento efekt je známy ako kavitačná erózia. Ultrazvuk používaný na tieto účely má nízke frekvencie a zvýšený výkon.

V laboratórnych a výrobných podmienkach sa na umývanie malých dielov a náradia používajú ultrazvukové vane naplnené rozpúšťadlom (voda, lieh a pod.). Niekedy sa s ich pomocou umyjú aj koreňové plodiny (zemiaky, mrkva, repa atď.) Z častíc zeme.

Aplikácia ultrazvuku pri meraní prietoku

Od 60. rokov minulého storočia sa v priemysle používajú ultrazvukové prietokomery na riadenie prietoku a zúčtovanie vody a chladiacej kvapaliny.

Využitie ultrazvuku pri zisťovaní chýb

Ultrazvuk sa v niektorých materiáloch dobre šíri, čo umožňuje jeho použitie na ultrazvukovú detekciu defektov výrobkov vyrobených z týchto materiálov. Nedávno bol vyvinutý smer ultrazvukovej mikroskopie, ktorý umožňuje študovať podpovrchovú vrstvu materiálu s dobrým rozlíšením.

ultrazvukové zváranie

Ultrazvukové zváranie - tlakové zváranie, vykonávané pod vplyvom ultrazvukových vibrácií. Tento typ zvárania sa používa na spájanie častí, ktoré sa ťažko zahrievajú, alebo pri spájaní odlišných kovov alebo kovov so silnými oxidovými filmami (hliník, nehrdzavejúca oceľ, permalloy magnetické jadrá atď.). Takže ultrazvukové zváranie sa používa pri výrobe integrovaných obvodov.

Využitie ultrazvuku pri galvanickom pokovovaní

Ultrazvuk sa používa na zintenzívnenie galvanických procesov a zlepšenie kvality povlakov vyrobených elektrochemickou metódou.

Ultrazvuk- elastické zvukové vibrácie vysokej frekvencie. Ľudské ucho vníma elastické vlny šíriace sa v médiu s frekvenciou približne do 16-20 kHz; vibrácie s vyššou frekvenciou predstavujú ultrazvuk (mimo sluchu). Zvyčajne sa za ultrazvukový rozsah považuje frekvenčné pásmo od 20 000 do miliardy Hz. Zvukové vibrácie s vyššou frekvenciou sa nazývajú hyperzvuk. V kvapalinách a pevných látkach môžu zvukové vibrácie dosiahnuť 1000 GHz

Hoci vedci vedia o existencii ultrazvuku už dlho, jeho praktické využitie vo vede, technike a priemysle sa začalo pomerne nedávno. Teraz je ultrazvuk široko používaný v rôznych oblastiach fyziky, technológie, chémie a medicíny.

Zdroje ultrazvuku

Frekvencia mikrovlnných ultrazvukových vĺn používaných v priemysle a biológii leží v rozsahu rádovo niekoľkých MHz. Zaostrovanie takýchto lúčov sa zvyčajne vykonáva pomocou špeciálnych zvukových šošoviek a zrkadiel. Pomocou vhodného prevodníka je možné získať ultrazvukový lúč s požadovanými parametrami. Najbežnejšie keramické meniče sú vyrobené z titanitu bária. V prípadoch, keď je výkon ultrazvukového lúča prvoradý, sa zvyčajne používajú mechanické zdroje ultrazvuku. Spočiatku boli všetky ultrazvukové vlny prijímané mechanicky (ladičky, píšťaly, sirény).

V prírode sa USA nachádzajú ako súčasť mnohých prírodných zvukov (v hluku vetra, vodopádu, dažďa, v hluku kamienkov valiacich sa morským príbojom, v zvukoch sprevádzajúcich výboje blesku atď.), ako aj medzi zvuky zo sveta zvierat. Niektoré zvieratá využívajú ultrazvukové vlny na detekciu prekážok, orientáciu v priestore.

Ultrazvukové žiariče možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín. Prvý zahŕňa žiariče-generátory; oscilácie v nich sú excitované v dôsledku prítomnosti prekážok na ceste konštantného toku - prúdu plynu alebo kvapaliny. Druhá skupina žiaričov - elektroakustické meniče; premieňajú už nastavené kmity elektrického napätia alebo prúdu na mechanické kmitanie pevného telesa, ktoré vyžaruje do okolia akustické vlny Príklady žiaričov: Galtonova píšťala, kvapalinová a ultrazvuková píšťalka, siréna.

Šírenie ultrazvuku.

Šírenie ultrazvuku je proces pohybu v priestore a čase porúch, ktoré prebiehajú vo zvukovej vlne.

Zvuková vlna sa šíri v látke, ktorá je v plynnom, kvapalnom alebo pevnom skupenstve v tom istom smere, v ktorom sú častice tejto látky posunuté, to znamená, že spôsobuje deformáciu prostredia. Deformácia spočíva v tom, že dochádza k postupnému riedeniu a stláčaniu určitých objemov média a vzdialenosť medzi dvoma susednými oblasťami zodpovedá dĺžke ultrazvukovej vlny. Čím väčší je špecifický akustický odpor média, tým väčší je stupeň kompresie a zriedenia média pri danej amplitúde kmitania.

Častice prostredia, ktoré sa podieľajú na prenose energie vĺn, oscilujú okolo svojej rovnovážnej polohy. Rýchlosť, ktorou častice oscilujú okolo svojej strednej rovnovážnej polohy, sa nazýva oscilačná

rýchlosť.

Difrakcia, interferencia

Počas šírenia ultrazvukových vĺn sú možné javy difrakcie, interferencie a odrazu.

Difrakcia (vlny ohýbajúce sa okolo prekážok) nastáva, keď je vlnová dĺžka ultrazvukovej vlny porovnateľná (alebo väčšia) s veľkosťou prekážky v ceste. Ak je prekážka v porovnaní s akustickou vlnovou dĺžkou veľká, nedochádza k difrakčnému javu.

Pri súčasnom pohybe niekoľkých ultrazvukových vĺn v tkanive v určitom bode média môže dôjsť k superpozícii týchto vĺn. Táto superpozícia vĺn na sebe sa súhrnne nazýva interferencia. Ak sa ultrazvukové vlny pretínajú v procese prechodu biologickým objektom, potom sa v určitom bode biologického média pozoruje zvýšenie alebo zníženie oscilácií. Výsledok interferencie bude závisieť od priestorového vzťahu fáz ultrazvukových vibrácií v danom bode prostredia. Ak ultrazvukové vlny dosiahnu určitú oblasť média v rovnakých fázach (in-phase), potom posuny častíc majú rovnaké znaky a interferencia za takýchto podmienok zvyšuje amplitúdu ultrazvukových vibrácií. Ak ultrazvukové vlny dorazia na konkrétne miesto v protifáze, posun častíc bude sprevádzaný rôznymi znakmi, čo vedie k zníženiu amplitúdy ultrazvukových vibrácií.

Interferencia hrá dôležitú úlohu pri hodnotení javov, ktoré sa vyskytujú v tkanivách okolo ultrazvukového žiariča. Zvlášť dôležité je rušenie pri šírení ultrazvukových vĺn v opačných smeroch po ich odraze od prekážky.

Absorpcia ultrazvukových vĺn

Ak má médium, v ktorom sa šíri ultrazvuk, viskozitu a tepelnú vodivosť, alebo v ňom prebiehajú iné procesy vnútorného trenia, potom sa pri šírení vlny zvuk pohltí, to znamená, že keď sa vzdiali od zdroja, amplitúda ultrazvukových vibrácií sa zmenšuje, rovnako ako energia, ktorú nesú. Prostredie, v ktorom sa ultrazvuk šíri, interaguje s energiou, ktorá ním prechádza, a absorbuje jej časť. Prevažná časť absorbovanej energie sa premieňa na teplo, menšia časť spôsobuje nevratné štrukturálne zmeny v odovzdávajúcej látke. Absorpcia je výsledkom trenia častíc o seba, v rôznych prostrediach je to rôzne. Absorpcia závisí aj od frekvencie ultrazvukových vibrácií. Teoreticky je absorpcia úmerná druhej mocnine frekvencie.

Hodnotu absorpcie možno charakterizovať absorpčným koeficientom, ktorý ukazuje, ako sa mení intenzita ultrazvuku v ožarovanom médiu. Zvyšuje sa s frekvenciou. Intenzita ultrazvukových vibrácií v médiu exponenciálne klesá. Tento proces je spôsobený vnútorným trením, tepelnou vodivosťou absorbujúceho média a jeho štruktúrou. Predbežne je charakterizovaná veľkosťou poloabsorbujúcej vrstvy, ktorá ukazuje, v akej hĺbke klesá intenzita kmitov na polovicu (presnejšie 2,718-krát alebo o 63 %). Podľa Palmana pri frekvencii 0,8 MHz sú priemerné hodnoty poloabsorbujúcej vrstvy pre niektoré tkanivá nasledovné: tukové tkanivo - 6,8 cm; svalnatý - 3,6 cm; tukové a svalové tkanivá spolu - 4,9 cm.S nárastom frekvencie ultrazvuku klesá hodnota poloabsorbujúcej vrstvy. Takže pri frekvencii 2,4 MHz sa intenzita ultrazvuku prechádzajúceho cez tukové a svalové tkanivo zníži na polovicu v hĺbke 1,5 cm.

Okrem toho je možná anomálna absorpcia energie ultrazvukových vibrácií v určitých frekvenčných rozsahoch - to závisí od charakteristík molekulárnej štruktúry daného tkaniva. Je známe, že 2/3 ultrazvukovej energie sú zoslabené na molekulárnej úrovni a 1/3 na úrovni mikroskopických tkanivových štruktúr.

Hĺbka prieniku ultrazvukových vĺn

Pod hĺbkou prieniku ultrazvuku rozumieme hĺbku, v ktorej sa intenzita zníži na polovicu. Táto hodnota je nepriamo úmerná absorpcii: čím silnejšie médium absorbuje ultrazvuk, tým menšia je vzdialenosť, pri ktorej je intenzita ultrazvuku zoslabená na polovicu.

Rozptyl ultrazvukových vĺn

Ak sú v prostredí nehomogenity, dochádza k rozptylu zvuku, ktorý môže výrazne zmeniť jednoduchý vzorec šírenia ultrazvuku a v konečnom dôsledku aj spôsobiť útlm vlny v pôvodnom smere šírenia.

Lom ultrazvukových vĺn

Keďže akustický odpor mäkkých tkanív človeka sa príliš nelíši od odporu vody, dá sa predpokladať, že lom ultrazvukových vĺn bude pozorovaný na rozhraní medzi médiami (epidermis – dermis – fascia – sval).

Odraz ultrazvukových vĺn

Ultrazvuková diagnostika je založená na fenoméne odrazu. Odraz sa vyskytuje v hraničných oblastiach kože a tuku, tuku a svalov, svalov a kostí. Ak ultrazvuk pri šírení narazí na prekážku, potom dochádza k odrazu, ak je prekážka malá, ultrazvuk ju akoby obteká. Heterogenity tela nespôsobujú výrazné odchýlky, keďže v porovnaní s vlnovou dĺžkou (2 mm) možno zanedbať ich rozmery (0,1-0,2 mm). Ak ultrazvuk na svojej ceste narazí na orgány, ktoré sú väčšie ako vlnová dĺžka, dôjde k lomu a odrazu ultrazvuku. Najsilnejší odraz je pozorovaný na hraniciach kosti - okolité tkanivá a tkanivá - vzduch. Vzduch má nízku hustotu a pozoruje sa takmer úplný odraz ultrazvuku. Odraz ultrazvukových vĺn pozorujeme na hranici sval – perioste – kosť, na povrchu dutých orgánov.

Pohyblivé a stojaté ultrazvukové vlny

Ak sa pri šírení ultrazvukových vĺn v prostredí neodrážajú, vznikajú postupné vlny. V dôsledku energetických strát sa oscilačné pohyby častíc média postupne rozpadajú a čím ďalej sa častice nachádzajú od vyžarujúceho povrchu, tým je amplitúda ich kmitov menšia. Ak sa však v dráhe šírenia ultrazvukových vĺn nachádzajú tkanivá s rôznymi špecifickými akustickými odpormi, potom sa ultrazvukové vlny v tej či onej miere od hraničného úseku odrážajú. Superpozícia dopadajúcich a odrazených ultrazvukových vĺn môže viesť k stojatým vlnám. Aby sa vyskytli stojaté vlny, vzdialenosť od povrchu žiariča k povrchu odrazu musí byť násobkom polovice vlnovej dĺžky.

Ultrazvuk

Ultrazvuk- elastické kmity s frekvenciou nad hranicou sluchu pre človeka. Zvyčajne sa za ultrazvukový rozsah považujú frekvencie nad 18 000 hertzov.

Zdroje ultrazvuku

Píšťal Galton

Kvapalná ultrazvuková píšťalka

Siréna

Ultrazvuk v prírode

Aplikácia ultrazvuku

Diagnostické využitie ultrazvuku v medicíne (ultrazvuk)

Terapeutické aplikácie ultrazvuku v medicíne

Okrem toho, že sa ultrazvuk široko používa na diagnostické účely (pozri Ultrazvuk), používa sa v medicíne ako terapeutické činidlo.

Ultrazvuk má tieto účinky:

protizápalové, absorbujúce
analgetikum, spazmolytikum
kavitačné zvýšenie priepustnosti kože

liečivá látka sa ultrazvukom nezničí
synergizmus pôsobenia ultrazvuku a terapeutickej látky

Indikácie pre ultrafonoforézu bischofitu: artróza, osteochondróza, artritída, burzitída, epikondylitída, pätová ostroha, stavy po úrazoch pohybového aparátu; Neuritída, neuropatia, radikulitída, neuralgia, poranenie nervov.

Rezanie kovov ultrazvukom

Príprava zmesí pomocou ultrazvuku

Využitie ultrazvuku v biológii

Použitie ultrazvuku na čistenie

Aplikácia ultrazvuku pri meraní prietoku

Od 60. rokov minulého storočia sa v priemysle používajú ultrazvukové prietokomery na riadenie prietoku a zúčtovanie vody a chladiacej kvapaliny.

Využitie ultrazvuku pri zisťovaní chýb

ultrazvukové zváranie

Ruská encyklopédia ochrany práce

Elastické vlny s frekvenciami cca. (1,5 2) 104 Hz (15 20 kHz) až 109 Hz (1 GHz); sa nazýva frekvenčný rozsah U. od 109 do 1012 1013 Hz. hypersonický. Frekvenčný rozsah U. je vhodne rozdelený do troch rozsahov: U. nízke frekvencie (1,5 104 105 Hz), U. ... ... Fyzická encyklopédia

ULTRAZVUK, elastické vlny nepočuteľné ľudským uchom, ktorých frekvencie presahujú 20 kHz. Ultrazvuk je obsiahnutý v hluku vetra a mora, je vyžarovaný a vnímaný množstvom živočíchov (netopiere, delfíny, ryby, hmyz atď.), je prítomný v hluku ... ... Moderná encyklopédia

Elastické vlny, ktoré sú pre ľudské ucho nepočuteľné a ktorých frekvencie presahujú 20 kHz. Ultrazvuk je obsiahnutý v hluku vetra a mora, je vyžarovaný a vnímaný množstvom živočíchov (netopiere, ryby, hmyz atď.), je prítomný v hluku áut. Použité v…… Veľký encyklopedický slovník

Elastické vlny s frekvenciou oscilácií od 20 kHz do 1 GHz. Najdôležitejšie oblasti použitia ultrazvuku sú sonar, sonar, navigácia, samonavádzacie zbrane, hlbokomorský výskum atď. EdwART. Vysvetľujúci námorný slovník, 2010 ... Marine Dictionary

Ultrazvuk- elastické vibrácie a vlny s frekvenciami nad rozsahom ľudského sluchu ...

21. storočie je storočím rádiovej elektroniky, atómu, výskumu vesmíru a ultrazvuku. Veda o ultrazvuku je dnes relatívne mladá. Koncom 19. storočia viedol svoje prvé štúdie P. N. Lebedev, ruský fyziológ. Potom mnohí významní vedci začali študovať ultrazvuk.

čo je ultrazvuk?

Ultrazvuk je šíriaci sa vlnitý kmitavý pohyb, ktorý vytvárajú častice média. Má svoje vlastné charakteristiky, v ktorých sa líši od zvukov počuteľného rozsahu. Je pomerne ľahké získať smerované žiarenie v ultrazvukovom rozsahu. Okrem toho je dobre zaostrený a v dôsledku toho sa zvyšuje intenzita vykonávaných kmitov. Pri šírení v pevných látkach, kvapalinách a plynoch vznikajú z ultrazvuku zaujímavé javy, ktoré našli praktické uplatnenie v mnohých oblastiach techniky a vedy. Toto je ultrazvuk, ktorého úloha v rôznych sférach života je dnes veľmi veľká.

Úloha ultrazvuku vo vede a praxi

V posledných rokoch začína vo vedeckom výskume zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu ultrazvuk. Úspešne sa uskutočnili experimentálne a teoretické štúdie v oblasti akustických tokov a ultrazvukovej kavitácie, čo vedcom umožnilo vyvinúť technologické procesy, ktoré sa vyskytujú pri vystavení ultrazvuku v kvapalnej fáze. Je to výkonná metóda na štúdium rôznych javov v takej oblasti vedomostí, ako je fyzika. Ultrazvuk sa používa napríklad vo fyzike polovodičov a pevných látok. Dnes sa tvorí samostatný odbor chémie, ktorý sa nazýva „ultrazvuková chémia“. Jeho aplikácia umožňuje urýchlenie mnohých chemicko-technologických procesov. Zrodila sa aj molekulárna akustika - nový odbor akustiky, ktorý študuje molekulárnu interakciu s hmotou Objavili sa nové oblasti použitia ultrazvuku: holografia, introskopia, akustoelektronika, meranie ultrazvukových fáz, kvantová akustika.

Okrem experimentálnej a teoretickej práce v tejto oblasti sa dnes urobilo veľa praktickej práce. Boli vyvinuté špeciálne a univerzálne ultrazvukové stroje, inštalácie, ktoré pracujú pod zvýšeným statickým tlakom a pod.. Do výroby boli zavedené automatické ultrazvukové zariadenia zaradené do výrobných liniek, ktoré môžu výrazne zvýšiť produktivitu práce.

Viac o ultrazvuku

Povedzme si viac o tom, čo je ultrazvuk. Už sme povedali, že ide o elastické vlny a ultrazvuk má nad 15-20 kHz. Subjektívne vlastnosti nášho sluchu určujú spodnú hranicu ultrazvukových frekvencií, ktorá ho oddeľuje od frekvencie počuteľného zvuku. Táto hranica je teda podmienená a každý z nás inak definuje, čo je ultrazvuk. Hornú hranicu označujú elastické vlny, ich fyzikálna podstata. Šíria sa iba v hmotnom prostredí, to znamená, že vlnová dĺžka musí byť výrazne väčšia ako stredná voľná dráha molekúl prítomných v plyne alebo medziatómové vzdialenosti v pevných látkach a kvapalinách. Pri normálnom tlaku v plynoch je horná hranica ultrazvukových frekvencií 10 9 Hz a v pevných látkach a kvapalinách - 10 12 -10 13 Hz.

Zdroje ultrazvuku

Ultrazvuk sa nachádza v prírode ako súčasť mnohých prírodných zvukov (vodopád, vietor, dážď, kamienky valené príbojom, ako aj vo zvukoch sprevádzajúcich výboje búrok atď.), ako aj ako neoddeliteľná súčasť sveta zvierat. Niektoré druhy živočíchov ho využívajú na orientáciu v priestore, detekciu prekážok. Je tiež známe, že delfíny v prírode využívajú ultrazvuk (hlavne frekvencie od 80 do 100 kHz). V tomto prípade môže byť sila signálov polohy, ktoré vysielajú, veľmi veľká. Delfíny sú známe tým, že dokážu odhaliť húfy rýb až na kilometer od nich.

Emitory (zdroje) ultrazvuku sú rozdelené do 2 veľkých skupín. Prvým sú generátory, v ktorých sú oscilácie excitované v dôsledku prítomnosti prekážok v nich inštalovaných v dráhe konštantného toku - prúdu kvapaliny alebo plynu. Druhou skupinou, do ktorej možno zdroje ultrazvuku kombinovať, sú elektroakustické meniče, ktoré premieňajú dané kolísanie prúdu alebo elektrického napätia na mechanické kmitanie vykonávané pevným telesom, ktoré vyžaruje akustické vlny do okolia.

Ultrazvukové prijímače

Na stredných a ultrazvukových prijímačoch sú elektroakustické meniče najčastejšie piezoelektrického typu. Dokážu reprodukovať podobu prijímaného akustického signálu, vyjadrenú ako časová závislosť akustického tlaku. Zariadenia môžu byť širokopásmové alebo rezonančné v závislosti od podmienok aplikácie, pre ktoré sú určené. Tepelné prijímače sa používajú na získanie časovo spriemerovaných charakteristík zvukového poľa. Sú to termistory alebo termočlánky potiahnuté látkou pohlcujúcou zvuk. Akustický tlak a intenzitu možno odhadnúť aj optickými metódami, ako je difrakcia svetla pomocou ultrazvuku.

Kde sa používa ultrazvuk?

Existuje mnoho oblastí jeho použitia, pričom využíva rôzne funkcie ultrazvuku. Tieto oblasti možno rozdeliť zhruba do troch oblastí. Prvý z nich je spojený so získavaním rôznych informácií pomocou ultrazvukových vĺn. Druhým smerom je jeho aktívny vplyv na látku. A tretí je spojený s prenosom a spracovaním signálov. V každom prípade sa používa špecifikácia USA. Z mnohých oblastí, v ktorých našiel svoje uplatnenie, pokryjeme len niekoľko.

Ultrazvukové čistenie

Kvalita takéhoto čistenia sa nedá porovnávať s inými metódami. Napríklad pri oplachovaní dielov zostáva na ich povrchu až 80% nečistôt, asi 55% - pri vibračnom čistení, asi 20% - pri ručnom čistení a pri čistení ultrazvukom, nie viac ako 0,5% nečistôt. Detaily, ktoré majú zložitý tvar, sa dajú dobre vyčistiť len pomocou ultrazvuku. Dôležitou výhodou jeho použitia je vysoká produktivita, ako aj nízke náklady na fyzickú prácu. Okrem toho je možné nahradiť drahé a horľavé organické rozpúšťadlá lacnými a bezpečnými vodnými roztokmi, použiť tekutý freón atď.

Vážnym problémom je znečistenie ovzdušia sadzami, dymom, prachom, oxidmi kovov a pod. Ultrazvukovú metódu čistenia vzduchu a plynu v plynových vývodoch môžete použiť bez ohľadu na okolitú vlhkosť a teplotu. Ak je ultrazvukový žiarič umiestnený v komore na usadzovanie prachu, jeho účinnosť sa stonásobne zvýši. Čo je podstatou takejto očisty? Prachové častice, ktoré sa náhodne pohybujú vo vzduchu, na seba narážajú silnejšie a častejšie pod vplyvom ultrazvukových vibrácií. Zároveň sa ich veľkosť zväčšuje vďaka tomu, že sa spájajú. Koagulácia je proces zväčšovania častíc. Ich vážené a zväčšené nahromadenia zachytávajú špeciálne filtre.

Obrábanie krehkých a supertvrdých materiálov

Ak vstúpite medzi obrobok a pracovný povrch nástroja, ktorý používa ultrazvuk, potom abrazívne častice počas prevádzky žiariča ovplyvnia povrch tejto časti. V tomto prípade je materiál zničený a odstránený, podrobený spracovaniu pôsobením rôznych riadených mikroúderov. Kinematika spracovania pozostáva z hlavného pohybu - rezanie, to znamená pozdĺžne vibrácie nástroja, a pomocný pohyb - posuv, ktorý zariadenie vykonáva.

Ultrazvuk môže vykonávať rôzne úlohy. Pre brúsne zrná sú zdrojom energie pozdĺžne vibrácie. Zničia spracovaný materiál. Posuvný pohyb (pomocný) môže byť kruhový, priečny a pozdĺžny. Ultrazvukové spracovanie má veľkú presnosť. V závislosti od zrnitosti brusiva sa pohybuje od 50 do 1 mikrónu. Pomocou nástrojov rôznych tvarov môžete robiť nielen otvory, ale aj zložité rezy, zakrivené osi, gravírovať, brúsiť, vyrábať matrice a dokonca aj vŕtať diamant. Materiály používané ako brusivo sú korund, diamant, kremenný piesok, pazúrik.

Ultrazvuk v rádiovej elektronike

Ultrazvuk v strojárstve sa často používa v oblasti rádiovej elektroniky. V tejto oblasti je často potrebné oneskoriť elektrický signál v porovnaní s iným. Vedci našli dobré riešenie tým, že navrhli použitie ultrazvukových oneskorovacích liniek (skrátene LZ). Ich pôsobenie je založené na tom, že elektrické impulzy sa premieňajú na ultrazvukové Ako k tomu dochádza? Faktom je, že rýchlosť ultrazvuku je výrazne nižšia ako vyvinutá.Napäťový impulz po spätnej transformácii na elektrické mechanické kmity bude oneskorený na výstupe linky vzhľadom na vstupný impulz.

Piezoelektrické a magnetostrikčné meniče sa používajú na premenu elektrických vibrácií na mechanické a naopak. LZ sa delia na piezoelektrické a magnetostrikčné.

Ultrazvuk v medicíne

Na ovplyvnenie živých organizmov sa používajú rôzne druhy ultrazvuku. V lekárskej praxi je jeho použitie teraz veľmi populárne. Je založená na účinkoch, ktoré sa vyskytujú v biologických tkanivách, keď nimi prechádza ultrazvuk. Vlny spôsobujú kolísanie častíc média, čím vzniká akási tkanivová mikromasáž. A absorpcia ultrazvuku vedie k ich lokálnemu zahrievaniu. Súčasne v biologických médiách dochádza k určitým fyzikálno-chemickým transformáciám. Tieto javy nespôsobujú pri strednej intenzite zvuku nevratné škody. Zlepšujú iba metabolizmus, a preto prispievajú k životne dôležitej aktivite tela, ktoré je im vystavené. Takéto javy sa používajú pri ultrazvukovej terapii.

Ultrazvuk v chirurgii

Kavitácia a silné zahrievanie pri vysokej intenzite vedie k deštrukcii tkaniva. Tento efekt sa dnes využíva v chirurgii. Pri chirurgických operáciách sa používa fokusovaný ultrazvuk, ktorý umožňuje lokálnu deštrukciu v najhlbších štruktúrach (napríklad mozgu), bez poškodenia okolitých. V chirurgii sa používajú aj ultrazvukové nástroje, ktorých pracovný koniec vyzerá ako pilník, skalpel, ihla. Vibrácie, ktoré na ne pôsobia, dávajú týmto nástrojom nové kvality. Požadovaná sila je výrazne znížená, preto sa znižuje traumatizmus operácie. Okrem toho sa prejavuje analgetický a hemostatický účinok. Náraz tupým nástrojom pomocou ultrazvuku sa používa na zničenie určitých typov novotvarov, ktoré sa objavili v tele.

Účinok na biologické tkanivá sa vykonáva na ničenie mikroorganizmov a používa sa v procesoch sterilizácie liekov a lekárskych nástrojov.

Vyšetrenie vnútorných orgánov

V podstate hovoríme o štúdiu brušnej dutiny. Na tento účel sa používa špeciálne zariadenie. Pomocou ultrazvuku možno nájsť a rozpoznať rôzne tkanivové a anatomické anomálie. Úloha je často nasledovná: existuje podozrenie na malígny útvar a je potrebné ho odlíšiť od benígneho alebo infekčného útvaru.

Ultrazvuk je užitočný pri vyšetrovaní pečene a pri iných úlohách, medzi ktoré patrí zisťovanie obštrukcií a ochorení žlčových ciest, ako aj vyšetrenie žlčníka na zistenie prítomnosti kameňov a iných patológií v ňom. Okrem toho sa môže použiť testovanie na cirhózu a iné difúzne benígne ochorenia pečene.

V oblasti gynekológie, najmä pri analýze vaječníkov a maternice, je použitie ultrazvuku už dlho hlavným smerom, v ktorom sa vykonáva s osobitným úspechom. Často je tu potrebná aj diferenciácia nezhubných a malígnych útvarov, čo si zvyčajne vyžaduje najlepší kontrast a priestorové rozlíšenie. Podobné závery môžu byť užitočné pri štúdiu mnohých ďalších vnútorných orgánov.

Využitie ultrazvuku v zubnom lekárstve

Ultrazvuk sa dostal aj do zubného lekárstva, kde sa používa na odstránenie zubného kameňa. Umožňuje vám rýchlo, bez krvi a bezbolestne odstrániť plak a kameň. Zároveň nie je zranená ústna sliznica a "vrecká" dutiny sú dezinfikované. Namiesto bolesti má pacient pocit tepla.

Ak teleso kmitá v pružnom prostredí rýchlejšie, ako ho médium stihne obliecť, svojim pohybom médium buď stlačí, alebo zjemní. Vrstvy vysokého a nízkeho tlaku sa rozptyľujú od kmitajúceho telesa do všetkých strán a vytvárajú zvukové vlny. Ak vibrácie tela, ktoré vytvára vlnu, nasledujú po sebe najmenej 16-krát za sekundu, nie viac ako 18-tisíckrát za sekundu, ľudské ucho ich počuje.

Frekvencie 16 - 18000 Hz, ktoré je ľudský načúvací prístroj schopný vnímať, sa bežne nazývajú zvuk, napríklad škrekot komára „10 kHz. Ale vzduch, hlbiny morí a útroby zeme sú naplnené zvukmi, ktoré ležia pod a nad týmto rozsahom - infra a ultrazvuk. V prírode sa ultrazvuk nachádza ako súčasť mnohých prírodných zvukov: v hluku vetra, vodopádu, dažďa, morských kamienkov navalených príbojom, vo výbojoch bleskov. Mnoho cicavcov, ako sú mačky a psy, má schopnosť vnímať ultrazvuk s frekvenciou až 100 kHz a lokalizačné schopnosti netopierov, nočného hmyzu a morských živočíchov sú každému dobre známe. Existencia nepočuteľných zvukov bola objavená s rozvojom akustiky na konci 19. storočia. Zároveň sa začali prvé štúdie ultrazvuku, no základy jeho aplikácie boli položené až v prvej tretine 20. storočia.

Spodná hranica ultrazvukového rozsahu sa nazýva elastické vibrácie s frekvenciou 18 kHz. Horná hranica ultrazvuku je určená povahou elastických vĺn, ktoré sa môžu šíriť len za podmienky, že vlnová dĺžka je oveľa väčšia ako stredná voľná dráha molekúl (v plynoch) alebo medziatómové vzdialenosti (v kvapalinách a plynoch). V plynoch je horná hranica »106 kHz, v kvapalinách a pevných látkach »1010 kHz. Frekvencie do 106 kHz sa spravidla nazývajú ultrazvuk. Vyššie frekvencie sa nazývajú hyperzvuk.

Ultrazvukové vlny sa svojou povahou nelíšia od vĺn počuteľného rozsahu a riadia sa rovnakými fyzikálnymi zákonmi. Ultrazvuk má však špecifické vlastnosti, ktoré určili jeho široké využitie vo vede a technike. Tu sú tie hlavné:

Malá vlnová dĺžka. Pre najnižší rozsah ultrazvuku nepresahuje vlnová dĺžka vo väčšine médií niekoľko centimetrov. Krátka vlnová dĺžka určuje charakter lúča šírenia ultrazvukových vĺn. V blízkosti žiariča sa ultrazvuk šíri vo forme lúčov s veľkosťou blízkou veľkosti žiariča. Ultrazvukový lúč sa pri dopade na nehomogenity v médiu chová ako svetelný lúč, dochádza k odrazu, lomu, rozptylu, čo umožňuje vytvárať zvukové obrazy v opticky nepriehľadnom médiu s použitím čisto optických efektov (zaostrenie, difrakcia atď.).
Malá perióda oscilácií, ktorá umožňuje vyžarovať ultrazvuk vo forme impulzov a vykonávať presnú časovú selekciu šíriacich sa signálov v médiu.
Možnosť získania vysokých hodnôt vibračnej energie pri malej amplitúde, pretože energia kmitov je úmerná druhej mocnine frekvencie. To umožňuje vytvárať ultrazvukové lúče a polia s vysokou úrovňou energie bez potreby veľkého vybavenia.
V ultrazvukovom poli vznikajú výrazné akustické prúdy. Preto vplyv ultrazvuku na životné prostredie vytvára špecifické účinky: fyzikálne, chemické, biologické a medicínske. Ako je kavitácia, zvukovo-kapilárny efekt, disperzia, emulgácia, odplyňovanie, dezinfekcia, lokálne vykurovanie a mnohé iné.
Ultrazvuk je nepočuteľný a nespôsobuje nepohodlie pre obsluhujúci personál.

História ultrazvuku. Kto objavil ultrazvuk.

Pozornosť na akustiku vyvolali potreby námorníctva popredných mocností – Anglicka a Francúzska, pretože. akustický - jediný typ signálu, ktorý môže vo vode cestovať ďaleko. V roku 1826 Francúzsky vedec Colladon určuje rýchlosť zvuku vo vode. Colladonov experiment je považovaný za zrod modernej hydroakustiky. K nárazu na podvodný zvon v Ženevskom jazere došlo pri súčasnom zapálení pušného prachu. Záblesk pušného prachu pozoroval Colladon vo vzdialenosti 10 míľ. Zvuk zvonu počul aj cez podvodnú zvukovú trubicu. Zmeraním časového intervalu medzi týmito dvoma udalosťami Colladon vypočítal rýchlosť zvuku – 1435 m/s. Rozdiel oproti moderným výpočtom je len 3 m/s.

V roku 1838 sa v Spojených štátoch prvýkrát použil zvuk na určenie profilu morského dna s cieľom položiť telegrafný kábel. Zdrojom zvuku, ako v Colladonovom experimente, bol zvon znejúci pod vodou a prijímačom boli veľké sluchové trubice, ktoré sa spúšťali cez palubu lode. Výsledky experimentu boli sklamaním. Zvuk zvonu (ako v skutočnosti explózia práškových nábojníc vo vode) dával veľmi slabú ozvenu, takmer nepočuteľnú medzi ostatnými zvukmi mora. Bolo potrebné prejsť do oblasti vyšších frekvencií, ktoré by umožnili vytvárať smerované zvukové lúče.

Prvý ultrazvukový generátor vyrobený v roku 1883 Angličanom Francis Galton. Ultrazvuk vznikol ako píšťalka na ostrí noža, ak naň fúknete. Úlohu takéhoto bodu v Galtonovej píšťalke zohral valec s ostrými hranami. Vzduch alebo iný plyn unikajúci pod tlakom cez prstencovú trysku s priemerom zhodným s okrajom valca nabiehal proti okraju a dochádzalo k vysokofrekvenčným osciláciám. Fúkaním na píšťalku vodíkom bolo možné získať oscilácie až do 170 kHz.

V roku 1880 Pierre a Jacques Curie urobil rozhodujúci objav pre ultrazvukovú technológiu. Bratia Curieovci si všimli, že pri pôsobení tlaku na kremenné kryštály vzniká elektrický náboj, ktorý je priamo úmerný sile pôsobiacej na kryštál. Tento jav sa nazýva "piezoelektrina" z gréckeho slova, ktoré znamená "lisovať". Okrem toho preukázali inverzný piezoelektrický efekt, ktorý nastáva, keď sa na kryštál aplikuje rýchlo sa meniaci elektrický potenciál, čo spôsobí jeho vibráciu. Odteraz je technicky možné vyrábať žiariče a prijímače ultrazvuku malých rozmerov.

Smrť Titanicu pri zrážke s ľadovcom, potreba boja s novou zbraňou – ponorkami si vyžiadala rýchly rozvoj ultrazvukovej hydroakustiky. V roku 1914 francúzsky fyzik Paul Langevin Spolu s talentovaným ruským emigrantom vedcom Konstantinom Vasilievičom Shilovskym najprv vyvinuli sonar pozostávajúci z ultrazvukového žiariča a hydrofónu - prijímača ultrazvukových vibrácií, založený na piezoelektrickom efekte. Sonar Langevin - Shilovsky, bol prvý ultrazvukový prístroj aplikované v praxi. V rovnakom čase ruský vedec S.Ya.Sokolov vyvinul základy ultrazvukovej detekcie defektov v priemysle. V roku 1937 nemecký psychiater Karl Dussik spolu so svojím bratom Friedrichom, fyzikom, prvýkrát použili ultrazvuk na detekciu mozgových nádorov, ale výsledky, ktoré získali, boli nespoľahlivé. V lekárskej praxi bol ultrazvuk prvýkrát použitý až v 50. rokoch 20. storočia v USA.

Prijímanie ultrazvuku.

Ultrazvukové žiariče možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín:

1) Oscilácie sú vybudené prekážkami v dráhe prúdu plynu alebo kvapaliny alebo prerušením prúdu plynu alebo kvapaliny. Používajú sa v obmedzenej miere hlavne na získanie výkonného ultrazvuku v plynnom prostredí.

2) Oscilácie sú vybudené transformáciou na mechanické prúdové alebo napäťové oscilácie. Väčšina ultrazvukových zariadení používa žiariče tejto skupiny: piezoelektrické a magnetostrikčné meniče.

Okrem meničov založených na piezoelektrickom jave sa na získanie výkonného ultrazvukového lúča používajú aj magnetostrikčné meniče. Magnetostrikcia je zmena veľkosti telies pri zmene ich magnetického stavu. Jadro z magnetostrikčného materiálu umiestnené vo vodivom vinutí mení svoju dĺžku v súlade s tvarom prúdového signálu prechádzajúceho vinutím. Tento jav, ktorý objavil v roku 1842 James Joule, je charakteristický pre feromagnety a ferity. Najčastejšie používanými magnetostrikčnými materiálmi sú zliatiny na báze niklu, kobaltu, železa a hliníka. Najvyššiu intenzitu ultrazvukového žiarenia dokáže dosiahnuť zliatina permendur (49% Co, 2% V, zvyšok Fe), ktorá sa používa vo výkonných ultrazvukových žiaričoch. Najmä v, vyrába náš podnik.

Použitie ultrazvuku.

Rôzne aplikácie ultrazvuku možno rozdeliť do troch oblastí:

získavanie informácií o látke
vplyv na hmotu
spracovanie a prenos signálu

V takýchto štúdiách sa používa závislosť rýchlosti šírenia a útlmu akustických vĺn od vlastností látky a procesov, ktoré sa v nich vyskytujú:

štúdium molekulárnych procesov v plynoch, kvapalinách a polyméroch
štúdium štruktúry kryštálov a iných pevných látok
riadenie priebehu chemických reakcií, fázových prechodov, polymerizácie a pod.
stanovenie koncentrácie roztokov
stanovenie pevnostných charakteristík a zloženia materiálov
stanovenie prítomnosti nečistôt
stanovenie rýchlosti prúdenia kvapaliny a plynu

Informácie o molekulárnej štruktúre látky sa poskytujú meraním rýchlosti a koeficientu absorpcie zvuku v nej. To umožňuje merať koncentráciu roztokov a suspenzií v buničinách a kvapalinách, riadiť priebeh extrakcie, polymerizácie, starnutia a kinetiky chemických reakcií. Presnosť stanovenia zloženia látok a prítomnosti nečistôt ultrazvukom je veľmi vysoká a pohybuje sa v zlomkoch percent.

Meranie rýchlosti zvuku v pevných látkach umožňuje určiť elastické a pevnostné charakteristiky konštrukčných materiálov. Takáto nepriama metóda na určenie pevnosti je vhodná pre svoju jednoduchosť a možnosť použitia v reálnych podmienkach.

Ultrazvukové analyzátory plynu monitorujú hromadenie nebezpečných nečistôt. Závislosť rýchlosti ultrazvuku od teploty sa využíva pri bezkontaktnej termometrii plynov a kvapalín.

Ultrazvukové prietokomery pracujúce na Dopplerovom jave sú založené na meraní rýchlosti zvuku v pohybujúcich sa kvapalinách a plynoch vrátane nehomogénnych (emulzie, suspenzie, drviny). Podobné zariadenie sa používa na stanovenie rýchlosti a prietoku krvi v klinických štúdiách.

Veľká skupina meracích metód je založená na odraze a rozptyle ultrazvukových vĺn na hraniciach medzi médiami. Tieto metódy umožňujú presne lokalizovať cudzie telesá v prostredí a používajú sa v takých oblastiach, ako sú:

sonar
nedeštruktívne testovanie a zisťovanie chýb
lekárskej diagnostiky
stanovenie hladín kvapalín a sypkých látok v uzavretých nádobách
dimenzovanie produktu
vizualizácia zvukových polí - zvukové videnie a akustická holografia

Odraz, lom a možnosť zaostrenia ultrazvuku sa využívajú pri ultrazvukovej defektoskopii, v ultrazvukových akustických mikroskopoch, v lekárskej diagnostike, na štúdium makroinhomogenít látky. Prítomnosť nehomogenít a ich súradnice sú určené odrazenými signálmi alebo štruktúrou tieňa.

Metódy merania založené na závislosti parametrov rezonančného oscilačného systému na vlastnostiach média, ktoré ho zaťažuje (impedancia), sa používajú na nepretržité meranie viskozity a hustoty kvapalín, na meranie hrúbky častí, ktoré sú prístupné iba z jedného strane. Rovnaký princíp je základom ultrazvukových tvrdomerov, hladinomerov, hladinomerov. Výhody metód ultrazvukového skúšania: krátky čas merania, schopnosť kontrolovať výbušné, agresívne a toxické médiá, žiadny vplyv nástroja na kontrolované prostredie a procesy.

Vplyv ultrazvuku na hmotu.

Vplyv ultrazvuku na látku, ktorý vedie k nezvratným zmenám v nej, je široko používaný v priemysle. Zároveň sú mechanizmy pôsobenia ultrazvuku pre rôzne médiá odlišné. V plynoch sú hlavným pôsobiacim faktorom akustické prúdy, ktoré urýchľujú procesy prenosu tepla a hmoty. Okrem toho je účinnosť ultrazvukového miešania oveľa vyššia ako konvenčné hydrodynamické miešanie, pretože hraničná vrstva má menšiu hrúbku a v dôsledku toho väčší teplotný alebo koncentračný gradient. Tento efekt sa používa v procesoch, ako sú:

sušenie ultrazvukom
horenie v ultrazvukovom poli
aerosólová koagulácia

Pri ultrazvukovom spracovaní kvapalín je hlavným prevádzkovým faktorom kavitácia . Na kavitačnom efekte sú založené nasledujúce technologické procesy:

ultrazvukové čistenie
pokovovanie a spájkovanie
zvukovo-kapilárny efekt - prenikanie kvapalín do najmenších pórov a trhlín. Používa sa na impregnáciu poréznych materiálov a prebieha pri akomkoľvek ultrazvukovom spracovaní pevných látok v kvapalinách.
kryštalizácia
zintenzívnenie elektrochemických procesov
produkcia aerosólu
ničenie mikroorganizmov a ultrazvuková sterilizácia nástrojov

Akustické prúdy- jeden z hlavných mechanizmov pôsobenia ultrazvuku na látku. Je to spôsobené absorpciou ultrazvukovej energie v látke a v hraničnej vrstve. Akustické prúdenia sa od hydrodynamických líšia malou hrúbkou hraničnej vrstvy a možnosťou jej stenčovania so zvyšujúcou sa frekvenciou kmitov. To vedie k zníženiu hrúbky teplotnej alebo koncentračnej hraničnej vrstvy a zvýšeniu teplotných alebo koncentračných gradientov, ktoré určujú rýchlosť prenosu tepla alebo hmoty. To prispieva k urýchleniu horenia, sušenia, miešania, destilácie, difúzie, extrakcie, impregnácie, sorpcie, kryštalizácie, rozpúšťania, odplyňovania kvapalín a tavenín. Pri vysokoenergetickom prúdení sa vplyv akustickej vlny uskutočňuje v dôsledku energie samotného prúdenia, zmenou jeho turbulencie. V tomto prípade môže byť akustická energia len zlomkom percent energie prúdenia.

Pri prechode zvukovej vlny vysokej intenzity kvapalinou vzniká tzv akustická kavitácia . Pri intenzívnej zvukovej vlne počas polperiód riedenia vznikajú kavitačné bubliny, ktoré sa pri pohybe do oblasti so zvýšeným tlakom náhle zrútia. V oblasti kavitácie vznikajú silné hydrodynamické poruchy vo forme mikrošokových vĺn a mikroprúdov. Okrem toho je kolaps bublín sprevádzaný silným lokálnym zahrievaním látky a uvoľňovaním plynu. Takýto náraz vedie k zničeniu aj takých odolných látok, ako je oceľ a kremeň. Tento efekt sa využíva na dispergovanie pevných látok, získanie jemne dispergovaných emulzií nemiešateľných kvapalín, excitáciu a urýchlenie chemických reakcií, ničenie mikroorganizmov a extrakciu enzýmov zo živočíšnych a rastlinných buniek. Kavitácia tiež určuje také účinky, ako je slabá žiara kvapaliny pod pôsobením ultrazvuku - luminiscencia zvuku a abnormálne hlboké prenikanie tekutiny do kapilár - zvukový kapilárny efekt .

Kavitačná disperzia kryštálov uhličitanu vápenatého (vodný kameň) je základom akustických zariadení proti vodnému kameňu. Pod vplyvom ultrazvuku sa častice vo vode štiepia, ich priemerná veľkosť klesá z 10 na 1 mikrón, zväčšuje sa ich počet a celkový povrch častíc. To vedie k prenosu procesu tvorby vodného kameňa z teplovýmennej plochy priamo do kvapaliny. Ultrazvuk pôsobí aj na vytvorenú vrstvu vodného kameňa, vytvára v nej mikrotrhlinky, ktoré prispievajú k odlupovaniu kúskov vodného kameňa z teplovýmennej plochy.

V ultrazvukových čistiacich zariadeniach odstraňuje kavitácia a ňou vytvorené mikroprúdy kontaminanty, ktoré sú pevne viazané na povrch, ako sú vodný kameň, vodný kameň, otrepy, a mäkké nečistoty, ako sú mastné filmy, špina atď. Rovnaký efekt sa používa na zintenzívnenie elektrolytických procesov.

Pôsobením ultrazvuku vzniká taký kuriózny efekt ako akustická koagulácia, t.j. konvergencia a zväčšovanie suspendovaných častíc v kvapaline a plyne. Fyzikálny mechanizmus tohto javu zatiaľ nie je úplne jasný. Akustická koagulácia sa používa na zrážanie priemyselných prachov, výparov a hmly pri nízkych frekvenciách pre ultrazvuk do 20 kHz. Je možné, že práve na tomto účinku je založený blahodarný účinok zvonenia kostolných zvonov.

Obrábanie pevných látok pomocou ultrazvuku je založené na nasledujúcich efektoch:

zníženie trenia medzi povrchmi pri ultrazvukových vibráciách jedného z nich
zníženie medze klzu alebo plastickej deformácie pri pôsobení ultrazvuku
kalenie a zníženie zvyškových napätí v kovoch pri náraze nástroja s ultrazvukovou frekvenciou
Pri ultrazvukovom zváraní sa využíva kombinovaný efekt statickej kompresie a ultrazvukových vibrácií

Existujú štyri typy obrábania pomocou ultrazvuku:

rozmerové spracovanie dielov z tvrdých a krehkých materiálov
rezanie ťažko obrobiteľných materiálov s nanášaním ultrazvuku na rezný nástroj
odihlovanie v ultrazvukovom kúpeli
brúsenie viskóznych materiálov s čistením brúsneho kotúča ultrazvukom

Účinky ultrazvuku na biologické objekty spôsobuje rôzne účinky a reakcie v telesných tkanivách, čo sa široko používa v ultrazvukovej terapii a chirurgii. Ultrazvuk je katalyzátor, ktorý urýchľuje nastolenie rovnováhy, z pohľadu fyziológie, stavu organizmu, t.j. zdravý stav. Ultrazvuk má oveľa väčší vplyv na choré tkanivá ako na zdravé. Používa sa aj ultrazvuková atomizácia liečiv pri inhalácii. Ultrazvuková chirurgia je založená na nasledujúcich účinkoch: deštrukcia tkanív samotným zaostreným ultrazvukom a uloženie ultrazvukových vibrácií na rezný chirurgický nástroj.

Ultrazvukové zariadenia sa používajú na konverziu a analogizáciu elektronických signálov a na riadenie svetelných signálov v optike a optoelektronike. Nízkorýchlostný ultrazvuk sa používa v oneskorovacích linkách. Riadenie optických signálov je založené na difrakcii svetla ultrazvukom. Jeden z typov takejto difrakcie, takzvaná Braggova difrakcia, závisí od vlnovej dĺžky ultrazvuku, čo umožňuje izolovať úzky frekvenčný interval zo širokého spektra svetelného žiarenia, t.j. filtrovať svetlo.

Ultrazvuk je mimoriadne zaujímavá vec a dá sa predpokladať, že mnohé možnosti jeho praktického využitia ľudstvo dodnes nepozná. Ultrazvuk milujeme a poznáme a radi prediskutujeme akékoľvek nápady súvisiace s jeho aplikáciou.

Kde sa používa ultrazvuk - súhrnná tabuľka

Naša spoločnosť, Koltso-Energo LLC, sa zaoberá výrobou a inštaláciou akustických zariadení proti vodnému kameňu Acoustic-T. Zariadenia vyrábané našou spoločnosťou sa vyznačujú mimoriadne vysokou úrovňou ultrazvukového signálu, čo im umožňuje pracovať na kotloch bez úpravy vody a parných kotloch s artézskou vodou. Ale prevencia vodného kameňa je len veľmi malou časťou toho, čo dokáže ultrazvuk. Tento úžasný prírodný nástroj má obrovské možnosti a my vám o nich chceme povedať. Zamestnanci našej spoločnosti dlhé roky pracujú v popredných ruských podnikoch zaoberajúcich sa akustikou. O ultrazvuku vieme veľa. A ak zrazu vznikne potreba použiť ultrazvuk vo vašej technológii,

Ryža. 2. Akustické prúdenie vznikajúce pri šírení ultrazvuku s frekvenciou 5 MHz v benzéne.

Medzi dôležité nelineárne javy, ktoré vznikajú pri šírení intenzívneho ultrazvuku v akustickom poli, patrí rast bublín v ultrazvukovom poli z existujúcich submikroskopických jadier plynu alebo pár do veľkosti zlomkov mm, ktoré začnú pulzovať s frekvenciou ultrazvuk a kolaps v pozitívnej fáze. Pri kolapse plynových bublín vznikajú veľké lokálne tlaky rádovo tisícky atmosfér a vytvárajú sa sférické rázové vlny. V blízkosti pulzujúcich bublín sa vytvárajú akustické mikroprúdy. Javy v kavitačnej oblasti vedú k množstvu užitočných (získavanie, čistenie kontaminovaných častí a pod.), ako aj škodlivých (erózia ultrazvukových žiaričov) javov. Frekvencie Ultrazvuk, pri ktorom sa ultrazvuk používa na technologické účely, leží v oblasti ULF. Intenzita zodpovedajúca prahu kavitácie závisí od typu kvapaliny, frekvencie zvuku, teploty a iných faktorov. Vo vode pri frekvencii 20 kHz je to asi 0,3 W/cm2. Pri UHF frekvenciách v ultrazvukovom poli s intenzitou niekoľkých W/cm2 môže dôjsť k vystreľovaniu kvapaliny ( ryža. 3) a nastriekajte naň veľmi jemnú hmlu.

Ryža. 3. Kvapalinová fontána, ktorá vzniká pri dopade ultrazvukového lúča z vnútra kvapaliny na jej povrch (ultrazvuková frekvencia 1,5 MHz, intenzita 15 W/cm2).

generácieultrazvuk. Na generovanie ultrazvuku sa používajú rôzne zariadenia, ktoré možno rozdeliť do 2 hlavných skupín - mechanické, v ktorých je ultrazvuk mechanické prúdenie plynu, alebo elektromechanické, v ktorých sa ultrazvuková energia získava elektricky. Mechanické žiariče Ultrazvuk - vzduch a kvapalina a - sa vyznačujú pomerne jednoduchým zariadením a nevyžadujú drahú vysokofrekvenčnú elektrickú energiu, ich účinnosť je 10-20%. Hlavnou nevýhodou všetkých mechanických ultrazvukových meničov je pomerne široký rozsah vyžarovaných frekvencií a frekvenčná nestabilita, ktorá neumožňuje ich použitie na riadiace a meracie účely; používajú sa hlavne v priemyselnom ultrazvuku a čiastočne ako prostriedky.

Ryža. 4. Vyžarovanie (príjem) pozdĺžnych vĺn L doskou kmitajúcou v hrúbke do pevného telesa: 1 - kremenná doska rez X s hrúbkou l / 2, kde l je vlnová dĺžka v kremeni; 2 - kovové elektródy; 3 - kvapalina (transformátorový olej) pre akustický kontakt; 4 - generátor elektrických kmitov; 5 - pevné telo.

Príjem a detekcia ultrazvuku. Pre reverzibilitu piezoelektrického javu je široko používaný aj na príjem ultrazvuku Ultrazvukové polia možno študovať aj optickými metódami: Ultrazvuk šíriaci sa v akomkoľvek prostredí spôsobuje zmenu jeho optického indexu lomu, vďaka čomu môže byť vizualizované, ak je médium priehľadné pre svetlo. Susedná oblasť optiky (akustooptika) bola značne rozvinutá od nástupu plynových laserov s kontinuálnou vlnou; bol vyvinutý výskum svetla na ultrazvuku a jeho rôznych aplikácií.

Aplikácie ultrazvuku. Aplikácie ultrazvuku sú veľmi rozmanité. Ultrazvuk je výkonná metóda na štúdium rôznych javov v mnohých oblastiach fyziky. Napríklad ultrazvukové metódy sa používajú vo fyzike a fyzike pevných látok; vznikla úplne nová oblasť fyziky - akusticko-elektronika, na základe výdobytkov ktorej sa vyvíjajú rôzne zariadenia na spracovanie signálových informácií. Ultrazvuk hrá veľkú úlohu pri učení. Spolu s metódami molekulárnej akustiky pre a plyny sa v oblasti štúdia pevných látok c a absorpcie a používajú na určenie modulových a disipačných charakteristík látky. Bola vyvinutá kvantová teória, ktorá študuje interakciu kvánt elastických porúch - s atď., a elementárnych v pevných látkach. Ultrazvuk je široko používaný v technológii a ultrazvukové metódy stále viac prenikajú do a.

Použitie ultrazvuku v technológii.Podľa c a a, v mnohých technických problémoch sa vykonáva pre tok jedného alebo druhého procesu (riadenie zmesi plynov, zloženie rôznych atď.). Pomocou ultrazvuku na hranici rôznych médií sú ultrazvukové zariadenia určené na meranie rozmerov výrobkov (napríklad ultrazvukové hrúbkomery), na určenie hladiny kvapaliny vo veľkých nádobách, ktoré sú pre priame meranie nedostupné. Ultrazvuk relatívne nízkej intenzity (do ~ 0,1 W/cm2) je široko používaný na účely nedeštruktívneho skúšania výrobkov z plných materiálov (koľajnice, veľké odliatky, vysokokvalitné valcované výrobky a pod.) (pozri). Rýchlo sa rozvíja smer nazývaný akustická emisia, ktorý spočíva v tom, že keď sa mechanické pevné teleso nanesie na vzorku (konštrukciu), „praská“ (podobne ako „praská“ plechová tyč pri ohýbaní). Vysvetľuje sa to tým, že vo vzorke dochádza k pohybu, ktorý sa za určitých (doteraz nie celkom objasnených) podmienok stávajú (ako aj súborom dislokácií a submikroskopických trhlín) akustickými impulzmi so spektrom obsahujúcim frekvencie.Ultrazvuk s pomocou akustickej emisie je možné zistiť a vyvinúť trhlinu, ako aj určiť jej umiestnenie v kritických častiach rôznych štruktúr. Pomocou ultrazvuku sa to vykonáva: premenou ultrazvuku na elektrický a druhý na svetlo sa ukazuje, že pomocou ultrazvuku je možné vidieť určité predmety v médiu nepriehľadnom pre svetlo. Na ultrazvukových frekvenciách bol vytvorený ultrazvukový mikroskop - zariadenie podobné bežnému mikroskopu, ktorého výhodou oproti optickému je, že biologické štúdie nevyžadujú predbežné farbenie objektu ( ryža. päť). Vývoj viedol k určitému úspechu v oblasti ultrazvuku.

Ryža. 5 B. Červené krvinky získané ultrazvukovým mikroskopom.

Ultrazvuk ………………………………………………………………………. 4

FYZIKÁLNE VLASTNOSTI ULTRAZVUKU

ODRAZ A ROZPTYL

SNÍMAČE A ULTRAZVUKOVÉ VLNY

POMALÉ SKENOVACIE ZARIADENIA

RÝCHLE SKENOVACIE ZARIADENIA

DOPPLEROGRAFICKÉ ZARIADENIA

ARTEFAKTY

KONTROLA KVALITY PREVÁDZKY ULTRAZVUKOVÝCH ZARIADENÍ

BIOLOGICKÝ ÚČINOK ULTRAZVUKU A BEZPEČNOSŤ

NOVÉ SMERY V ULTRAZVUKOVEJ DIAGNOSTIKE

LITERATÚRA

TESTOVACIE OTÁZKY

Čo je ultrazvuk

História ultrazvuku

Aplikácia ultrazvuku

Zdroje ultrazvuku

Píšťal Galton

Kvapalná ultrazvuková píšťalka

Siréna

Ultrazvuk v prírode

Aplikácia ultrazvuku

Diagnostické využitie ultrazvuku v medicíne (ultrazvuk)

Terapeutické aplikácie ultrazvuku v medicíne

Rezanie kovov ultrazvukom

Príprava zmesí pomocou ultrazvuku

Využitie ultrazvuku v biológii

Použitie ultrazvuku na čistenie

Aplikácia ultrazvuku pri meraní prietoku

Využitie ultrazvuku pri zisťovaní chýb

ultrazvukové zváranie

Využitie ultrazvuku pri galvanickom pokovovaní

Difrakcia, interferencia

Absorpcia ultrazvukových vĺn

Hĺbka prieniku ultrazvukových vĺn

Rozptyl ultrazvukových vĺn

Lom ultrazvukových vĺn

Odraz ultrazvukových vĺn

Pohyblivé a stojaté ultrazvukové vlny

Zdroje ultrazvuku

Píšťal Galton

Kvapalná ultrazvuková píšťalka

Siréna

Ultrazvuk v prírode

Aplikácia ultrazvuku

Diagnostické využitie ultrazvuku v medicíne (ultrazvuk)

Terapeutické aplikácie ultrazvuku v medicíne

Rezanie kovov ultrazvukom

Príprava zmesí pomocou ultrazvuku

Využitie ultrazvuku v biológii

Použitie ultrazvuku na čistenie

Aplikácia ultrazvuku pri meraní prietoku

Využitie ultrazvuku pri zisťovaní chýb

ultrazvukové zváranie

čo je ultrazvuk?

Úloha ultrazvuku vo vede a praxi

Viac o ultrazvuku

Zdroje ultrazvuku

Ultrazvukové prijímače

Kde sa používa ultrazvuk?

Ultrazvukové čistenie

Obrábanie krehkých a supertvrdých materiálov

Ultrazvuk v rádiovej elektronike

Ultrazvuk v medicíne

Ultrazvuk v chirurgii

Vyšetrenie vnútorných orgánov

Využitie ultrazvuku v zubnom lekárstve

História ultrazvuku. Kto objavil ultrazvuk.

Prijímanie ultrazvuku.

Použitie ultrazvuku.

Vplyv ultrazvuku na hmotu.

Kde sa používa ultrazvuk - súhrnná tabuľka

Prečítajte si tiež