Ультразвук………………………………………………………………….4

Ультразвук як пружні хвилі……………………………………..4

Специфічні особливості ультразвуку………………………………..5

Джерела та приймачі ультразвуку……………………………………..7

Механічні випромінювачі…………………………………………...7

Електроакустичні перетворювачі…………………………….9

Приймачі ультразвуку……………………………………………..11

Застосування ультразвуку…………………………………………………...11

Ультразвукове очищення……………………………………………...11

Механічна обробка надтвердих та крихких

матеріалів……………………………………………………………13

Ультразвукове зварювання……………………………………………….14

Ультразвукова паяння і лудіння……………………………………14

Прискорення виробничих процессов………………..…………15

Ультразвукова дефектоскопія…………………………..…………15

Ультразвук у радіоелектроніці………………………..……………17

Ультразвук у медицині………………………………..……………..18

Література…………………………………………………..……………….19

ведення.

Двадцять перше століття - століття атома, підкорення космосу, радіоелектроніки та ультразвуку. Наука про ультразвук порівняно молода. Перші лабораторні роботи з дослідження ультразвуку було проведено великим російським ученим-физиком П. М. Лебедєвим наприкінці XIX, потім ультразвуком займалися багато відомих учених.

Ультразвук являє собою хвилеподібний коливальний рух частинок середовища, що поширюється. Ультразвук має деякі особливості, порівняно зі звуками чутного діапазону. У ультразвуковому діапазоні порівняно легко отримати направлене випромінювання; він добре піддається фокусуванню, внаслідок чого підвищується інтенсивність ультразвукових коливань. При поширенні в газах, рідинах і твердих тілах ультразвук породжує цікаві явища, багато з яких знайшли практичне застосування в різних галузях науки та техніки.

Останніми роками ультразвук починає грати дедалі більшу роль наукових дослідженнях. Успішно проведено теоретичні та експериментальні дослідження в галузі ультразвукової кавітації та акустичних течій, що дозволили розробити нові технологічні процеси, що протікають при впливі ультразвуку в рідкій фазі. В даний час формується новий напрямок хімії – ультразвукова хімія, що дозволяє прискорити багато хіміко-технологічних процесів. Наукові дослідження сприяли зародженню нового розділу акустики – молекулярної акустики, що вивчає молекулярну взаємодію звукових хвиль із речовиною. Виникли нові сфери застосування ультразвуку: інтроскопія, голографія, квантова акустика, ультразвукова фазомірія, акустоелектроніка.

Поряд з теоретичними та експериментальними дослідженнями в галузі ультразвуку виконано багато практичних робіт. Розроблено універсальні та спеціальні ультразвукові верстати, установки, що працюють під підвищеним статичним тиском, ультразвукові механізовані установки для очищення деталей, генератори з підвищеною частотою та новою системою охолодження, перетворювачі з рівномірно розподіленим полем. Створено та впроваджено у виробництво автоматичні ультразвукові установки, що включаються до потокових ліній, що дозволяють значно підвищити продуктивність праці.

льтразвук.

Ультразвук (УЗ) – пружні коливання та хвилі, частота яких перевищує 15 – 20 кГц. Нижня межа області УЗ-вих частот, що відокремлює її від області чутного звуку, визначається суб'єктивними властивостями людського слуху і є умовною, оскільки верхня межа слухового сприйняття у кожної людини своя. Верхня межа УЗ-них частот обумовлена ​​фізичною природою пружних хвиль, які можуть поширюватися лише матеріальному середовищі, тобто. за умови, що довжина хвилі значно більша за довжину вільного пробігу молекул у газі або міжатомних відстаней у рідинах і твердих тілах. У газах при нормальному тиску верхня межа частот УЗ становить 10 9 Гц, в рідинах і твердих тілах гранична частота досягає 10 12 -10 13 Гц. Залежно від довжини хвилі і частоти УЗ має різні специфічні особливості випромінювання, прийому, поширення та застосування, тому область УЗ-них частот поділяють на три області:

· Низькі УЗ-ші частоти (1,5×10 4 - 10 5 Гц);

· Середні (10 5 - 10 7 Гц);

· Високі (10 7 - 10 9 Гц).

Пружні хвилі з частотами 109 - 1013 Гц прийнято називати гіперзвуком.

Ультразвук як пружні хвилі.

УЗ-ві хвилі (нечутний звук) за своєю природою не відрізняються від пружних хвиль чутного діапазону. У газах і рідинах поширюються лише поздовжніхвилі, а у твердих тілах – поздовжні та зрушенье.

Поширення ультразвуку підпорядковується основним законам, загальними акустичних хвиль будь-якого діапазону частот. До основних законів поширення відносяться закони відображення звуку та заломлення звуку на межах різних середовищ, дифракції звуку та розсіювання звукуза наявності перешкод та неоднорідностей у середовищі та нерівностей на кордонах, закони хвилеводного розповсюдженняв обмежених ділянках середовища. Істотну роль у своїй грає співвідношення між довжиною хвилі звуку l і ​​геометричним розміром D – розміром джерела звуку чи перешкоди шляху хвилі, розміром неоднорідностей середовища. При D>>l поширення звуку поблизу перешкод відбувається переважно за законами геометричної акустики (можна скористатися законами відбиття і заломлення). Ступінь відхилення від геометричної картини поширення та необхідність урахування дифракційних явищ визначаються параметром

, де r - Відстань від точки спостереження до об'єкта, що викликає дифракцію.

Швидкість поширення УЗ-них хвиль у необмеженому середовищі визначається характеристиками пружності та щільністю середовища. В обмежених середовищах швидкість поширення хвиль впливає наявність і характер меж, що призводить до частотної залежності швидкості (дисперсія швидкості звуку). Зменшення амплітуди та інтенсивності УЗ-вої хвилі в міру її поширення в заданому напрямку, тобто згасання звуку, викликається, як і для хвиль будь-якої частоти, розходженням фронту хвилі з віддаленням від джерела, розсіюванням та поглинанням звуку. На всіх частотах як чутного, і нечутних діапазонів має так зване «класичне» поглинання, викликане зсувної в'язкістю (внутрішнім тертям) середовища. Крім того, існує додаткове (релаксаційне) поглинання, що часто істотно перевершує «класичне» поглинання.

При значній інтенсивності звукових хвиль з'являються нелінійні ефекти:

· Порушується принцип суперпозиції і виникає взаємодія хвиль, що призводить до появи тонів;

· Змінюється форма хвилі, її спектр збагачується вищими гармоніками і відповідно зростає поглинання;

· при досягненні деякого порогового значення інтенсивності УЗ рідини виникає кавітація (див. нижче).

Критерієм застосування законів лінійної акустики та можливості нехтування нелінійними ефектами є: М<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М називається число Маха.

пецифічні особливості ультразвуку

Хоча фізична природа УЗ і визначальні його поширення основні закони ті ж, що й для звукових хвиль будь-якого діапазону частот, він має низку специфічних особливостей. Ці особливості обумовлені щодо високими частотами УЗ.

Трохи довжини хвилі визначає променевий характерпоширення УЗ-них хвиль. Поблизу випромінювача хвилі поширюються як пучків, поперечний розмір яких зберігається близьким до розміру випромінювача. Потрапляючи на великі перешкоди такий пучок (УЗ промінь) зазнає відображення та заломлення. При попаданні променя на малі перешкоди виникає розсіяна хвиля, що дозволяє виявляти в середовищі малі неоднорідності (близько десятих і сотих часток мм.). Відображення та розсіювання УЗ на неоднорідностях середовища дозволяють формувати в оптично непрозорих середовищах звукові зображенняпредметів, використовуючи звукові фокусуючі системи, подібно до того, як це робиться за допомогою світлових променів.

Фокусування УЗ дозволяє не лише отримувати звукові зображення (системи звукобачення та акустичної голографії), а й концентруватизвукову енергію. За допомогою УЗ-вих фокусуючих систем можна формувати задані характеристики спрямованостівипромінювачів та керувати ними.

Періодична зміна показника заломлення світлових хвиль, пов'язана зі зміною щільності в УЗ-хвилі, викликає дифракцію світла на ультразвуку, що спостерігається на частотах УЗ мегагерцевого-гігагерцевого діапазону УЗ хвилю при цьому можна розглядати як дифракційну решітку.

Найважливішим нелінійним ефектом в УЗ-вому полі є кавітація- Виникнення в рідині маси пульсуючих бульбашок, заповнених парою, газом або їх сумішшю. Складне рух бульбашок, їх хлопування, злиття одне з одним тощо. породжують у рідині імпульси стиснення (мікроударні хвилі) та мікропотоки, викликають локальне нагрівання середовища, іонізацію. Ці ефекти впливають на речовину: відбувається руйнування твердих тіл, що знаходяться в рідині ( кавітаційна ерозія), виникає перемішування рідини, ініціюються або прискорюються різні фізичні та хімічні процеси. Змінюючи умови протікання кавітації, можна посилювати або послаблювати різні кавітаційні ефекти, наприклад зі зростанням частоти УЗ, збільшується роль мікропотоків і зменшується кавітаційна ерозія, зі збільшенням тиску в рідині зростає роль мікроударних впливів. Збільшення частоти призводить до підвищення порогового значення інтенсивності, що відповідає початку кавітації, яке залежить від роду рідини, її вмісту, температури і т.д.. Для води при атмосферному тиску воно зазвичай становить 0,3?1,0 Вт/см 2 . Кавітація – складний комплекс явищ. УЗ-ві хвилі, що розповсюджуються в рідині, утворюють області високих і низьких тисків, що чергуються, що створюють зони високих стисків і зони розріджень. У розрідженій зоні гідростатичний тиск знижується настільки, що сили, що діють на молекули рідини, стають більше сил міжмолекулярного зчеплення. Внаслідок різкої зміни гідростатичної рівноваги рідина «розривається», утворюючи численні дрібні бульбашки газів та пари. В наступний момент, коли в рідині настає період високого тиску, бульбашки, що утворилися раніше, схлопуються. Процес схлопывания бульбашок супроводжується утворенням ударних хвиль з великим місцевим миттєвим тиском, що досягає декількох сотень атмосфер.

Глава з І тома керівництва з ультразвукової діагностики, написаного співробітниками кафедри ультразвукової діагностики Російської медичної академії післядипломної освіти (CD 2001) під ред.Митькова В.В.

(Статтю виявлено на просторах Інтернету)

1. Фізичні властивості ультразвуку
2. Відображення та розсіювання
3. Датчики та ультразвукова хвиля
4. Прилади повільного сканування
5. Прилади швидкого сканування
6. Прилади для доплерографії
7. Артефакти
8. Контроль якості роботи ультразвукової апаратури
9. Біологічна дія ультразвуку та безпека
10. Нові напрямки в ультразвуковій діагностиці
11. Література
12. Тестові питання

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ УЛЬТРАЗВУКУ

Застосування ультразвуку у медичній діагностиці пов'язане з можливістю отримання зображення внутрішніх органів та структур. Основою методу є взаємодія ультразвуку із тканинами тіла людини. Отримання зображення можна розділити на дві частини. Перша - випромінювання коротких ультразвукових імпульсів, спрямоване досліджувані тканини, і друге - формування зображення з урахуванням відбитих сигналів. Розуміння принципу роботи ультразвукової діагностичної установки, знання основ фізики ультразвуку та його взаємодії з тканинами тіла людини допоможуть уникнути механічного, бездумного використання приладу, а отже, грамотніше підходити до процесу діагностики.

Звук - це механічна поздовжня хвиля, в якій коливання частинок знаходяться в тій же площині, що напрямок розповсюдження енергії (рис. 1).

Рис. 1. Візуальне та графічне представлення змін тиску та щільності в ультразвуковій хвилі.

Хвиля переносить енергію, але з матерію. На відміну від електромагнітних хвиль (світло, радіохвилі тощо) для поширення звуку необхідне середовище - воно не може поширюватися у вакуумі. Як і всі хвилі, звук можна описати рядом параметрів. Це частота, довжина хвилі, швидкість поширення в середовищі, період, амплітуда та інтенсивність. Частота, період, амплітуда та інтенсивність визначаються джерелом звуку, швидкість поширення – середовищем, а довжина хвилі – і джерелом звуку, і середовищем. Частота – це число повних коливань (циклів) за період часу на 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2. Частота ультразвукової хвилі 2 цикли в 1 с = 2 Гц

Одиницями вимірювання частоти є герц (Гц) та мегагерц (МГц). Один герц – це одне коливання за секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Що робить звук "ультра"? Це частота. Верхня межа чутного звуку – 20000 Гц (20 кілогерц (кГц)) – є нижньою межею ультразвукового діапазону. Ультразвукові локатори кажанів працюють у діапазоні 25÷500 кГц. У сучасних ультразвукових приладах для отримання зображення використовують ультразвук частотою від 2 МГц і вище. Період - це час, необхідне отримання одного повного циклу коливань (рис. 3).

Рис. 3. Період ультразвукової хвилі.

Одиницями виміру періоду є секунда (с) та мікросекунда (мкс). Одна мікросекунда є однією мільйонною часткою секунди. Період (мкс) = 1/частота (МГц). Довжина хвилі – це довжина, яку займає у просторі одне коливання (рис. 4).

Рис. 4. Довжина хвилі.

Одиниці виміру - метр (м) та міліметр (мм). Швидкість поширення ультразвуку - це швидкість, з якою хвиля переміщається серед. Одиницями швидкості поширення ультразвуку є метр на секунду (м/с) та міліметр у мікросекунду (мм/мкс). Швидкість поширення ультразвуку визначається щільністю та пружністю середовища. Швидкість поширення ультразвуку збільшується зі збільшенням пружності та зменшення щільності сріли. У таблиці 2.1 наведено швидкості поширення ультразвуку в деяких тканинах тіла людини.

Середня швидкість поширення ультразвуку в тканинах тіла людини становить 1540 м/с - на цю швидкість запрограмована більшість ультразвукових діагностичних приладів. Швидкість поширення ультразвуку (С), частота (f) та довжина хвилі (λ) пов'язані між собою наступним рівнянням: С = f × λ. Так як у нашому випадку швидкість вважається постійною (1540 м/с), то дві змінні f і λ, що залишилися, пов'язані між собою назад пропорційною залежністю. Чим вища частота, тим менша довжина хвилі і тим менші розміри об'єктів, які ми можемо побачити. Ще одним важливим параметром середовища є акустичний опір (Z). Акустичне опір - це твір значення щільності середовища проживання і швидкості поширення ультразвуку. Опір (Z) = густина (р) × швидкість поширення (С).

Для отримання зображення в ультразвуковій діагностиці використовується не ультразвук, який випромінюється безперервно трансд'юсером (постійною хвилею), а ультразвук, що випромінюється у вигляді коротких імпульсів (імпульсний). Він генерується при додатку до п'єзоелементу коротких електричних імпульсів. Для характеристики імпульсного ультразвуку використовують додаткові параметри. Частота повторення імпульсів - це число імпульсів, що випромінюються в единии часу (секунду). Частота повторення імпульсів з міряєте я в герцах (Гц) і кілогерцях (кГц). Тривалість імпульсу – це тимчасова довжина одного імпульсу (рис. 5).

Рис. 5. Тривалість ультразвукового імпульсу.

Вимірюється в секундах (с) та мікросекундах (мкс). Фактор зайнятості - це частина часу, коли відбувається випромінювання (у формі імпульсів) ультразвуку. Просторова довжина імпульсу (ППІ) - це довжина простору, у якому розміщується один ультразвуковий імпульс (рис. 6).

Рис. 6. Просторова довжина імпульсу.

Для м'яких тканин просторова довжина імпульсу (мм) дорівнює добутку 1,54 (швидкість поширення ультразвуку в мм/мкс) та кількості коливань (циклів) в імпульсі (n), віднесеному до частоти МГц. Або ППІ = 1,54×n/f. Зменшення просторової протяжності імпульсу можна досягти (а це дуже важливо для поліпшення осьової роздільної здатності) за рахунок зменшення кількості коливань в імпульсі або збільшення частоти. Амплітуда ультразвукової хвилі - це максимальне відхилення фізичної змінної, що спостерігається, від середнього значення (рис. 7).

Рис. 7. Амплітуда ультразвукової хвилі

Інтенсивність ультразвуку – це відношення потужності хвилі до площі, за якою розподіляється ультразвуковий потік. Вимірюється у Ват на квадратний сантиметр (Вт/кв.см). При рівній потужності випромінювання що менше площа потоку, то вище інтенсивність. Інтенсивність також пропорційна квадрату амплітуди. Тож якщо амплітуда подвоюється, то інтенсивність вчетверяется. Інтенсивність неоднорідна як у площі потоку, і у разі імпульсного ультразвуку, в часі.

При проходженні через будь-яке середовище спостерігатиметься зменшення амплітуди та інтенсивності ультразвукового сигналу, яке називається загасанням. Згасання ультразвукового сигналу викликається поглинанням, відображенням та розсіюванням. Одиницею згасання є децибел (дБ). Коефіцієнт згасання - це ослаблення ультразвукового сигналу на единииу довжини шляху цього сигналу (дБ/см). Коефіцієнт згасання зростає із збільшенням частоти. Усереднені коефіцієнти згасання у м'яких тканинах та зменшення інтенсивності ехосигналу залежно від частоти представлені у таблиці 2.2.

Відображення та розсіювання

При проходженні ультразвуку через тканини на межі середовищ з різним акустичним опором та швидкістю проведення ультразвуку виникають явища відбиття, заломлення, розсіювання та поглинання. Залежно від кута говорять про перпендикулярне та похило (під кутом) падіння ультразвукового променя. При перпендикулярному падінні ультразвукового променя він може бути повністю відображений або частково відображений, частково проведений через межу двох середовищ; при цьому напрям ультразвуку, що перейшов з одного середовища в інше середовище, не змінюється (рис. 8).

Рис. 8. Перпендикулярне падіння ультразвукового променя.

Інтенсивність відбитого ультразвуку та ультразвуку, що пройшов межу середовищ, залежить від вихідної інтенсивності та різниці акустичних опорів середовищ. Ставлення інтенсивності відбитої хвилі до інтенсивності падаючої хвилі називається коефіцієнтом відбиття. Відношення інтенсивності ультразвукової хвилі, що пройшла через межу середовищ, до інтенсивності падаючої хвилі називається коефіцієнтом проведення ультразвуку. Таким чином, якщо тканини мають різні щільності, але однаковий акустичний опір – відбиття ультразвуку не буде. З іншого боку, за великої різниці акустичних опорів інтенсивність відображення прагне 100%. Прикладом цього є межа повітря/м'які тканини. На межі цих середовищ відбувається майже повне відображення ультразвуку. Щоб покращити проведення ультразвуку у тканині тіла людини, використовують сполучні середовища (гель). При похилому падінні ультразвукового променя визначають кут падіння, кут відбиття та кут заломлення (рис. 9).

Рис. 9. Відображення, заломлення.

Кут падіння дорівнює куту відбиття. Заломлення - це зміна напряму поширення ультразвукового променя під час перетину ним межі середовищ із різними швидкостями проведення ультразвуку. Синус кута заломлення дорівнює добутку синуса кута падіння на величину, отриману від розподілу швидкості поширення ультразвуку у другому середовищі на швидкість у першій. Синус кута заломлення, а, отже, і сам кут заломлення тим більше, чим більша різниця швидкостей поширення ультразвуку у двох середовищах. Заломлення не спостерігається, якщо швидкості поширення ультразвуку у двох середовищах рівні або кут падіння дорівнює 0. Говорячи про відображення, слід мати на увазі, що в тому випадку, коли довжина хвилі багато більша за розміри нерівностей поверхні, що відбиває, має місце дзеркальне відображення (описане вище) . У випадку, якщо довжина хвилі співставна з нерівностями поверхні, що відбиває, або є неоднорідність самого середовища, відбувається розсіювання ультразвуку.

Рис. 10. Зворотне розсіювання.

При зворотному розсіюванні (рис. 10) ультразвук відбивається у тому напрямі, звідки надійшов вихідний промінь. Інтенсивність розсіяних сигналів збільшується зі збільшенням неоднорідності середовища проживання і збільшенням частоти (тобто. зменшенням довжини хвилі) ультразвуку. Розсіювання відносно мало залежить від напрямку падаючого променя і, отже, дозволяє краще візуалізувати поверхні, що відбивають, не кажучи вже про паренхім органів. Для того щоб відбитий сигнал був правильно розташований на екрані, необхідно знати не тільки напрямок випромінюваного сигналу, але і відстань до відбивача. Ця відстань дорівнює 1/2 добутку швидкості ультразвуку в середовищі на час між випромінюванням та прийомом відбитого сигналу (рис. 11). Твір швидкості на якийсь час ділиться навпіл, оскільки ультразвук проходить подвійний шлях (від випромінювача до відбивача і назад), а нас цікавить тільки відстань від випромінювача до відбивача.

Рис. 11. Вимірювання відстані за допомогою ультразвуку.

ДАТЧИКИ ТА УЛЬТРАЗВУКОВА ХВИЛЬ

Для отримання ультразвуку використовуються спеціальні перетворювачі - трансд'юсери, які перетворюють електричну енергію на енергію ультразвуку. Одержання ультразвуку виходить з зворотному пьезоэлектрическом ефекті. Суть ефекту полягає в тому, що якщо до певних матеріалів (п'єзоелектриків) додати електричну напругу, то станеться зміна їхньої форми (рис. 12).

Рис. 12. Зворотний п'єзоелектричний ефект.

З цією метою в ультразвукових приладах найчастіше застосовуються штучні п'єзоелектрики, такі як цирконат або титанат свинцю. За відсутності електричного струму п'єзоелемент повертається до вихідної формі, а зміні полярності знову відбудеться зміна форми, але у зворотному напрямі. Якщо до п'єзоелементу додати швидкозмінний струм, то елемент почне з високою частотою стискатися і розширюватися (тобто коливатися), генеруючи ультразвукове поле. Робоча частота трансдьюсера (резонансна частота) визначається відношенням швидкості поширення ультразвуку в п'єзоелементі до подвоєної товщини цього п'єзоелемента. Детектування відбитих сигналів виходить з прямому пьезоэлектрическом ефекті (рис. 13).

Рис. 13. Прямий п'єзоелектричний ефект.

Сигнали, що повертаються, викликають коливання п'єзоелемента і поява на його гранях змінного електричного струму. І тут п'єзоелемент функціонує як ультразвуковий датчик. Зазвичай в ультразвукових приладах для випромінювання та прийому ультразвуку використовуються одні й ті самі елементи. Тому терміни "перетворювач", "трансд'юсер", "датчик" є синонімами. Ультразвукові датчики є складними пристроями і, залежно від способу розгорнення зображення, діляться на датчики для приладів повільного сканування (одноелементні) і швидкого сканування (сканування в реальному часі) - механічні та електронні. Механічні датчики можуть бути одно- та багатоелементні (анулярні). Розгортка ультразвукового променя може досягатися за рахунок хитання елемента, обертання елемента або хитання акустичного дзеркала (рис. 14).

Рис. 14. Механічні секторні датчики.

Зображення в цьому випадку має форму сектора (секторні датчики) або кола (кругові датчики). Електронні датчики є багатоелементними і залежно від форми зображення можуть бути секторними, лінійними, конвексними (опуклими) (рис. 15).

Рис. 15. Електронні багатоелементні датчики.

Розгорнення зображення в секторному датчику досягається за рахунок хитання ультразвукового променя з його одночасним фокусуванням (рис. 16).

Рис. 16. Електронний секторний датчик із фазованою антеною.

У лінійних та конвексних датчиках розгортка зображення досягається шляхом збудження групи елементів з покроковим їх переміщенням вздовж антеної решітки з одночасним фокусуванням (рис. 17).

Рис. 17. Електронний лінійний датчик.

Ультразвукові датчики в деталях відрізняються пристроєм один від одного, проте їхня принципова схема представлена ​​на малюнку 18.

Рис. 18. Влаштування ультразвукового датчика.

Одноелементний трансд'юсер у формі диска у режимі безперервного випромінювання утворює ультразвукове поле, форма якого змінюється залежно від відстані (рис. 19).

Рис. 19. Два поля нефокусованого трансд'юсера.

Іноді можуть спостерігатися додаткові ультразвукові потоки, що отримали назви бічних пелюсток. Відстань від диска до довжини протяжності ближнього поля (зони) називається ближньою зоною. Зона за кордоном ближньої називається далекою. Довжина ближньої зони дорівнює відношенню квадрата діаметра трансдьюсера до 4 довжин хвилі. У дальній зоні діаметр ультразвукового поля збільшується. Місце найбільшого звуження ультразвукового променя називається зоною фокусу, а відстань між трансд'юсером та зоною фокусу – фокусною відстанню. Існують різні способи фокусування ультразвукового променя. Найбільш простим способом фокусування є акустична лінза (рис. 20).

Рис. 20. Фокусування за допомогою акустичної лінзи.

З її допомогою можна сфокусувати ультразвуковий промінь на певній глибині, що залежить від кривизни лінзи. Цей спосіб фокусування не дозволяє оперативно змінювати фокусну відстань, що незручно у практичній роботі. Іншим способом фокусування є використання акустичного дзеркала (рис. 21).

Рис. 21. Фокусування за допомогою акустичного дзеркала.

У цьому випадку, змінюючи відстань між дзеркалом і трансд'юсером, ми змінюватимемо фокусну відстань. У сучасних приладах із багатоелементними електронними датчиками основою фокусування є електронне фокусування (рис. 17). Маючи систему електронного фокусування, ми можемо з панелі приладу змінювати фокусну відстань, однак для кожного зображення ми матимемо лише одну зону фокусу. Так як для отримання зображення використовуються дуже короткі ультразвукові імпульси, що випромінюються 1000 разів на секунду (частота повторення імпульсів 1 кГц), то 99,9% часу прилад працює як приймач відбитих сигналів. Маючи такий запас часу, можна запрограмувати прилад таким чином, щоб при першому отриманні зображення було вибрано ближню зону фокусу (мал. 22) та інформація, отримана з цієї зони, була збережена.

Рис. 22. Спосіб динамічного фокусування.

Далі – вибір наступної зони фокусу, отримання інформації, збереження. І так далі. В результаті виходить комбіноване зображення, сфокусоване по всій глибині. Слід, щоправда, відзначити, що такий спосіб фокусування вимагає значних часових витрат на отримання одного зображення (кадра), що викликає зменшення частоти кадрів та мерехтіння зображення. Чому стільки зусиль прикладається для фокусування ультразвукового променя? Справа в тому, що чим уже промінь, тим краще бічна (латеральна, по азимуту) роздільна здатність. Бічна роздільна здатність - це мінімальна відстань між двома об'єктами, розташованими перпендикулярно до напряму розповсюдження енергії, що подаються на екрані монітора у вигляді роздільних структур (рис. 23).

Рис. 23. Спосіб динамічного фокусування.

Бічна роздільна здатність дорівнює діаметру ультразвукового променя. Осьова роздільна здатність - це мінімальна відстань між двома об'єктами, розташованими вздовж напряму розповсюдження енергії, що подаються на екрані монітора у вигляді окремих структур (рис. 24).

Рис. 24. Осьова роздільна здатність: чим коротший ультразвуковий імпульс, тим вона краща.

Осьова роздільна здатність залежить від просторової протяжності ультразвукового імпульсу - чим коротший імпульс, тим краще роздільна здатність. Для укорочення імпульсу використовується як механічне, і електронне гасіння ультразвукових коливань. Як правило, осьова роздільна здатність краще бічний.

ПРИЛАДИ ПОВІЛЬНОГО СКАНУВАННЯ

В даний час прилади повільного (ручного, складного) сканування становлять лише історичний інтерес. Морально вони померли з появою приладів швидкого сканування (приладів, що працюють у реальному часі). Однак їх основні компоненти зберігаються і в сучасних приладах (з використанням сучасної елементної бази). Серцем є головний генератор імпульсів (у сучасних апаратах – потужний процесор), який керує всіма системами ультразвукового приладу (рис. 25).

Рис. 25. Блок-схема ручного сканера.

Генератор імпульсів посилає електричні імпульси на трансдьюсер, який генерує ультразвуковий імпульс і спрямовує їх у тканини, приймає відбиті сигнали, перетворюючи в електричні коливання. Ці електричні коливання далі прямують на радіочастотний підсилювач, якого зазвичай підключається тимчасово-амплітудний регулятор посилення (ВАРУ) - регулятор компенсації тканинного поглинання по глибині. Зважаючи на те, що згасання ультразвукового сигналу в тканинах відбувається за експоненційним законом, яскравість об'єктів на екрані зі збільшенням глибини прогресивно падає (рис. 26).

Рис. 26. Компенсація тканинного поглинання.

Використання лінійного підсилювача, тобто. підсилювача, що пропорційно посилює всі сигнали, призвело б до перепідсилення сигналів у безпосередній близькості від датчика при спробі покращення візуалізації глибоко розташованих об'єктів. Використання логарифмічних підсилювачів дозволяє вирішити цю проблему. Ультразвуковий сигнал посилюється пропорційно часу затримки його повернення - що пізніше повернувся, тим більше посилення. Таким чином, застосування Вару дозволяє отримати на екрані зображення однакової яскравості по глибині. Посилений таким чином радіочастотний електричний сигнал потім подається на демодулятор, де він випрямляється і фільтрується і ще раз посилений на відеопідсилювачі подається на екран монітора.

Для збереження зображення на екрані монітора потрібна відеопам'ять. Вона може бути поділена на аналогову та цифрову. Перші монітори дозволяли надавати інформацію в аналоговій бістабільній формі. Пристрій, зване дискримінатором, дозволяло змінювати поріг дискримінації - сигнали, інтенсивність яких була нижчою за поріг дискримінації, не проходили через нього і відповідні ділянки екрану залишалися темними. Сигнали, інтенсивність яких перевищувала поріг дискримінації, представлялися на екрані як білих точок. У цьому яскравість точок не залежала від абсолютного значення інтенсивності відбитого сигналу - все білі точки мали однакову яскравість. При такому способі представлення зображення - він отримав назву "бістабільний" - добре були видні межі органів і структури з високою здатністю, що відображає (наприклад, нирковий синус), однак, оцінити структуру паренхіматозних органів не представлялося можливим. Поява в 70-х роках приладів, які дозволяли передавати на екрані монітора відтінки сірого кольору, знаменувало початок епохи сірошкальних приладів. Ці прилади давали можливість отримувати інформацію, яка була недосяжною при використанні приладів із бістабільним зображенням. Розвиток комп'ютерної техніки та мікроелектроніки дозволило невдовзі перейти від аналогових зображень до цифрових. Цифрові зображення в ультразвукових установках формуються на великих матрицях (зазвичай 512×512 пікселів) з числом градацій сірого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 біт). При візуалізації на глибину 20 см на матриці 512 × 512 пікселів один піксел буде відповідати лінійним розмірам 0,4 мм. На сучасних приладах є тенденція до збільшення розмірів дисплеїв без втрати якості зображення і на приладах середнього класу 12-дюймовий екран (30 см по діагоналі) стає звичайним явищем.

Електронно-променева трубка ультразвукового приладу (дисплей, монітор) використовує гостро сфокусований пучок електронів для отримання яскравої плями на екрані, вкритому спеціальним фосфором. За допомогою пластин, що відхиляють, цю пляму можна переміщати по екрану.

При А-типі розгортки (Amplitude) по одній осі відкладається відстань від датчика, за іншою - інтенсивність відбитого сигналу (рис. 27).

Рис. 27. А-тип розгорнення сигналу.

У сучасних приладах А тип розгортки практично не використовується.

В-тип розгортки (Brightness - яскравість) дозволяє уздовж лінії сканування отримати інформацію про інтенсивність відбитих сигналів у вигляді відмінності яскравості окремих точок, що становлять цю лінію.

Приклад екрана: зліва розгортка B, праворуч - Mта кардіограма.

М-тип (Іноді ТМ) розгортки (Motion - рух) дозволяє реєструвати рух (переміщення) структур, що відображають у часі. При цьому по вертикалі реєструються переміщення структур, що відбивають, у вигляді точок різної яскравості, а по горизонталі - усунення положення цих точок у часі (рис. 28).

Рис. 28. М-тип розгортки.

Для отримання двовимірного томографічного зображення необхідно тим чи іншим чином переміщення лінії сканування вздовж площини сканування. У приладах повільного сканування досягалося переміщенням датчика вздовж поверхні тіла пацієнта вручну.

ПРИЛАДИ ШВИДКОГО СКАНУВАННЯ

Прилади швидкого сканування, або, як їх частіше називають, прилади, що працюють у реальному часі, зараз повністю замінили прилади повільного, або ручного, сканування. Це пов'язано з цілою низкою переваг, якими володіють ці прилади: можливість оцінювати рух органів та структур у реальному часі (тобто практично в той самий час); різке зменшення витрат часу на дослідження; можливість проводити дослідження через невеликі акустичні вікна.

Якщо прилади повільного сканування можна порівняти з фотоапаратом (отримання нерухомих зображень), то прилади, що працюють у реальному часі – з кіно, де нерухомі зображення (кадри) з великою частотою змінюють одне одного, створюючи враження руху.

У приладах швидкого сканування використовуються, як говорилося вище, механічні та електронні секторні датчики, електронні лінійні датчики, електронні конвексні (опуклі) датчики, механічні радіальні датчики.

Певний час тому на ряді приладів з'явилися трапецієподібні датчики, поле зору яких мало трапецієподібну форму, однак вони не показали переваг щодо конвексних датчиків, але самі мали цілий ряд недоліків.

В даний час найкращим датчиком для дослідження органів черевної порожнини, заочеревинного простору та малого тазу є конвексний. Він має відносно невелику контактну поверхню і дуже велике поле зору в середній і дальній зонах, що спрощує і прискорює проведення дослідження.

При скануванні ультразвуковим променем, результат кожного повного проходу променя називається кадром. Кадр формується із великої кількості вертикальних ліній (рис. 29).

Рис. 29. Формування зображення окремими лініями.

Кожна лінія – це як мінімум один ультразвуковий імпульс. Частота повторення імпульсів для отримання сірошкального зображення в сучасних приладах становить 1 кГц (1000 імпульсів за секунду).

Існує взаємозв'язок між частотою повторення імпульсів (ЧПІ), числом ліній, що формують кадр, та кількістю кадрів в одиницю часу: ЧПИ = число ліній × частота кадрів.

На екрані монітора якість одержуваного зображення визначатиметься, зокрема, щільністю ліній. Для лінійного датчика щільність ліній (ліній/см) є відношенням числа ліній, що формують кадр, ширини частини монітора, на якому формується зображення.

Для датчика секторного типу густина ліній (ліній/градус) - відношення числа ліній, що формують кадр, до кута сектора.

Чим вище частота кадрів, встановлена ​​в приладі, тим (при заданій частоті повторення імпульсів) менше число ліній, що формують кадр, менше щільність ліній на екрані монітора, нижче якість одержуваного зображення. Зате при високій частоті кадрів ми маємо гарний тимчасовий дозвіл, що дуже важливо при ехокардіографічних дослідженнях.

ПРИЛАДИ ДЛЯ ДОППЛЕРОГРАФІЇ

Ультразвуковий метод дослідження дозволяє отримувати як інформацію про структурному стані органів прокуратури та тканин, а й характеризувати потоки в судинах. В основі цієї здатності лежить ефект Допплера - зміна частоти звуку при русі щодо середовища джерела або приймача звуку або тіла, що розсіює звук. Він спостерігається через те, що швидкість поширення ультразвуку в будь-якому однорідному середовищі є постійною. Отже, якщо джерело звуку рухається з постійною швидкістю, звукові хвилі, що випромінюються в напрямку руху, ніби стискаються, збільшуючи частоту звуку. Хвилі, що випромінюються у зворотному напрямку, хіба що розтягуються, викликаючи зниження частоти звуку (рис. 30).

Рис. 30. Ефект Доплера.

Шляхом зіставлення вихідної частоти ультразвуку зі зміненою можна визначити долерівський зсув і розрахувати швидкість. Не має значення, чи випромінюється звук об'єктом, що рухається, або цей об'єкт відображає звукові хвилі. У другому випадку джерело ультразука може бути нерухомим (ультразвуковий датчик), а як відбивач ультразвукових хвиль можуть виступати еритроцити. Доплерівський зсув може бути як позитивним (якщо відбивач рухається до джерела звуку), так і негативним (якщо відбивач рухається від джерела звуку). У тому випадку, якщо напрямок падіння ультразвукового променя не паралельний напрямку руху відбивача, необхідно скоригувати доплерівський зсув на косинус кута q між падаючим променем і напрямком руху відбивача (рис. 31).

Рис. 31. Кут між падаючим променем та напрямком струму крові.

Для отримання допплерівської інформації застосовуються два типи пристроїв - постійнохвильові та імпульсні. У постійнохвильовому допплерівському приладі датчик складається з двох трансд'юсерів: один із них постійно випромінює ультразвук, інший постійно приймає відбиті сигнали. Приймач визначає доплерівський зсув, який зазвичай становить-1/1000 частоти джерела ультразвуку (чутний діапазон) і передає сигнал на гучномовці і паралельно на монітор для якісної та кількісної оцінки кривої. Постійнохвильові прилади детектують кровообіг майже по всьому ходу ультразвукового променя або, іншими словами, мають великий контрольний об'єм. Це може спричинити отримання неадекватної інформації при попаданні в контрольний обсяг кількох судин. Однак великий контрольний обсяг буває корисним при розрахунку падіння тиску при стенозі клапанів серця.

Для того, щоб оцінити кровотік у будь-якій конкретній області, необхідно розмістити контрольний обсяг у досліджуваній області (наприклад, всередині певної судини) під візуальним контролем на екрані монітора. Це може бути досягнуто з використанням імпульсного приладу. Існує верхня межа доплерівського зсуву, яка може бути детектована імпульсними приладами (іноді його називають межею Найквіста). Він становить приблизно 1/2 частоти повторення імпульсів. За його перевищення відбувається спотворення доплерівського спектра (aliasing). Чим вище частота повторення імпульсів, тим більший зсув допплерів може бути визначений без спотворень, проте тим нижче чутливість приладу до низькошвидкісних потоків.

Зважаючи на те, що ультразвукові імпульси, що направляються в тканини, містять велику кількість частот крім основної, а також через те, що швидкості окремих ділянок потоку неоднакові, відображений імпульс складається з великої кількості різних частот (рис. 32).

Рис. 32. Графік діапазону ультразвукового імпульсу.

За допомогою швидкого перетворення Фур'є частотний склад імпульсу може бути представлений у вигляді спектра, який може бути зображений на екрані монітора у вигляді кривої, де по горизонталі відкладаються частоти зсуву доплерівського, а по вертикалі - амплітуда кожної складової. За допплерівським спектром можна визначати велику кількість швидкісних параметрів кровотоку (максимальна швидкість, швидкість в кінці діастоли, середня швидкість і т.д.), проте ці показники є кутозалежними і їх точність залежить від точності корекції кута. І якщо у великих незвитих судинах корекція кута не викликає проблем, то в дрібних звивистих судинах (судини пухлини) визначити напрямок потоку досить складно. Для вирішення цієї проблеми було запропоновано ряд майже кутозалежних індексів, найбільш поширеними з яких є індекс резистентності та пульсаторний індекс. Індекс резистентності є відношенням різниці максимальної та мінімальної швидкостей до максимальної швидкості потоку (рис. 33). Пульсаторний індекс є відношенням різниці максимальної та мінімальної швидкостей до середньої швидкості потоку.

Рис. 33. Розрахунок індексу резистентності та пульсаторного індексу.

Отримання доплерівського спектру з одного контрольного обсягу дозволяє оцінювати кровотік у дуже невеликій ділянці. Колірна візуалізація потоків (колірне допплерівське картування) дозволяє отримувати двовимірну інформацію про кровотоки в реальному часі на додаток до звичайної дворазової сірошкальної візуалізації. Колірна допплерівська візуалізація розширює можливості імпульсного принципу отримання зображення. Сигнали, відбиті від нерухомих структур, розпізнаються і видаються у сірошкальному вигляді. Якщо відбитий сигнал має частоту, відмінну від випромінюваного, це означає, що він відбився від об'єкта, що рухається. У цьому випадку проводиться визначення доплерівського зсуву, його знак та величина середньої швидкості. Ці параметри використовуються для визначення кольору, його насиченості та яскравості. Зазвичай напрямок потоку до датчика кодується червоним, а від датчика - синім кольором. Яскравість кольору визначається швидкістю потоку.

В останні роки з'явився варіант колірного доплерівського картування, який отримав назву "енергетичного доплера" (Power Doppler). При енергетичному допплері визначається значення доплерівського зсуву у відбитому сигналі, яке енергія. Такий підхід дозволяє підвищити чутливість методу до низьких швидкостей, зробити його майже незалежним, щоправда, ціною втрати можливості визначення абсолютного значення швидкості та напрямки потоку.

АРТЕФАКТИ

Артефакт в ультразвуковій діагностиці – це поява на зображенні неіснуючих структур, відсутність існуючих структур, неправильне розташування структур, неправильна яскравість структур, неправильні контури структур, неправильні розміри структур. Реверберація, один з найбільш часто зустрічаються артефактів, спостерігається в тому випадку, якщо ультразвуковий імпульс потрапляє між двома або більше поверхнями, що відбивають. При цьому частина енергії ультразвукового імпульсу багаторазово відбивається від цих поверхонь, щоразу частково повертаючись до датчика через рівні проміжки часу (рис. 34).

Рис. 34. Реверберація.

Результатом цього буде поява на екрані монітора неіснуючих відбивних поверхонь, які будуть розташовуватися за другим відбивачем на відстані, що дорівнює відстані між першим і другим відбивачами. Зменшити реверберацію іноді вдається зміною положення датчика. Варіантом реверберації є артефакт, який отримав назву "хвіст комети". Він спостерігається у тому випадку, коли ультразвук викликає власні коливання об'єкта. Цей артефакт часто спостерігається за дрібними бульбашками газу або дрібними металевими предметами. Зважаючи на те, що далеко не завжди весь відбитий сигнал повертається до датчика (рис. 35), виникає артефакт ефективної відбивної поверхні, яка менша за реальну відбивну поверхню.

Рис. 35. Ефективна відбивна поверхня.

З-за цього артефакту розміри конкрементів, що визначаються за допомогою ультразвуку, зазвичай трохи менше, ніж істинні. Заломлення може спричинити неправильне положення об'єкта на отриманому зображенні (рис. 36).

Рис. 36. Ефективна відбивна поверхня.

У тому випадку, якщо шлях ультразвуку від датчика до структури, що відбиває, і назад не є одним і тим же, виникає неправильне положення об'єкта на отриманому зображенні. Дзеркальні артефакти - це поява об'єкта, що перебуває з одного боку сильного відбивача з іншого боку (рис. 37).

Рис. 37. Дзеркальний артефакт.

Дзеркальні артефакти часто виникають у діафрагми.

Артефакт акустичної тіні (рис. 38) виникає за структурами, що сильно відбивають або сильно поглинають ультразвук. Механізм утворення акустичної тіні аналогічний до формування оптичної.

Рис. 38. Акустична тінь.

Артефакт дистального лсевдопосилення сигналу (рис. 39) виникає позаду слабо поглинаючих ультразвук структур (рідинні, рідина, що містять утворення).

Рис. 39. Дистальне псевдопосилення луни.

Артефакт бічних тіней пов'язаний з заломленням і іноді інтерференцією ультразвукових хвиль при падінні ультразвукового променя по дотичній на опуклу поверхню (кіста, шийковий відділ жовчного міхура) структури, швидкість проходження ультразвуку в якій істотно відрізняється від навколишніх тканин (рис. 40).

Рис. 40. Бічні тіні.

Артефакти, пов'язані з неправильним визначенням швидкості ультразвуку, виникають через те, що реальна швидкість поширення ультразвуку в тій чи іншій тканині більша або менша за усереднену (1,54 м/с) швидкість, на яку запрограмований прилад (рис. 41).

Рис. 41. Спотворення через відмінність у швидкості проведення ультразвуку (V1 і V2) різними середовищами.

Артефакти товщини ультразвукового променя - це поява, головним чином у рідинах, що містять органи, пристінкових відображень, обумовлених тим, що ультразвуковий промінь має конкретну товщину і частина цього променя може одночасно формувати зображення органу і зображення поруч розташованих структур (рис. 42).

Рис. 42. Артефакт товщини ультразвукового променя.

КОНТРОЛЬ ЯКОСТІ РОБОТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЇ АПАРАТУРИ

Контроль якості ультразвукового обладнання включає визначення відносної чутливості системи, осьової і бічної роздільної здатності, мертвої зони, правильності роботи вимірювача відстані, точності реєстрації, правильності роботи ВАРУ, визначення динамічного діапазону сірої шкали і т.д. Для контролю якості роботи ультразвукових приладів використовуються спеціальні тест-об'єкти або тканинно-еквівалентні фантоми (рис. 43). Вони є комерційно доступними, однак у нашій країні мало поширені, що робить практично неможливим провести перевірку ультразвукового діагностичного обладнання на місцях.

Рис. 43. Тест-об'єкт Американського інституту ультразвуку у медицині.

БІОЛОГІЧНА ДІЯ УЛЬТРАЗВУКУ І БЕЗПЕКА

Біологічна дія ультразвуку та його безпека для хворого постійно дискутують у літературі. Знання про біологічний вплив ультразвуку базуються на вивченні механізмів впливу ультразвуку, вивченні ефекту впливу ультразвуку на клітинні культури, експериментальних дослідженнях на рослинах, тваринах і, нарешті, на епідеміологічних дослідженнях.

Ультразвук може викликати біологічну дію шляхом механічних та теплових впливів. Згасання ультразвукового сигналу відбувається через поглинання, тобто. перетворення енергії ультразвукової хвилі на тепло. Нагрів тканин збільшується зі збільшенням інтенсивності випромінюваного ультразвуку та його частоти. Кавітація - це утворення рідини пульсуючих бульбашок, заповнених газом, парою чи його сумішшю. Однією з причин виникнення кавітації може бути ультразвукова хвиля. Так шкідливий ультразвук чи ні?

Дослідження, пов'язані з впливом ультразвуку на клітини, експериментальні роботи на рослинах та тваринах, а також епідеміологічні дослідження дозволили зробити Американському інституту ультразвуку в медицині таку заяву, яку востаннє було підтверджено у 1993 році:

"Ніколи не повідомлялося про підтверджені біологічні ефекти у пацієнтів або осіб, що працюють на приладі, викликаних опроміненням (ультразвуком), інтенсивність якого типова для сучасних ультразвукових діагностичних установок. Хоча існує можливість, що такі біологічні ефекти можуть бути виявлені в майбутньому, сучасні дані вказують, що користь для хворого при розумному використанні діагностичного ультразвуку переважує потенційний ризик, якщо такий взагалі існує.

НОВІ НАПРЯМКИ В УЛЬТРАЗВУКОВІЙ ДІАГНОСТИЦІ

Відбувається бурхливий розвиток ультразвукової діагностики, постійне вдосконалення ультразвукових діагностичних приладів. Можна припустити кілька основних напрямів розвитку цього діагностичного методу.

Можливе подальше вдосконалення допплерівських методик, особливо таких як енергетичний доплер, допплерівська колірна візуалізація тканин.

Тривимірна ехографія у майбутньому може стати дуже важливим напрямком ультразвукової діагностики. На даний момент існують кілька комерційно доступних ультразвукових діагностичних установок, що дозволяють проводити тривимірну реконструкцію зображень, однак поки клінічне значення цього напряму залишається незрозумілим.

Концепція застосування ультразвукових контрастів була вперше висунута R.Gramiak та P.M.Shah наприкінці шістдесятих при ехокардіографічному дослідженні. В даний час існує комерційно доступний контраст "Еховіст" (Шерінг), що використовується для візуалізації правих відділів серця. Нещодавно він був модифікований зі зменшенням розмірів часток контрасту і може рециркулювати в кровоносній системі людини (Левовіст, Шерінг). Цей препарат суттєво покращує доплеровський сигнал, як спектральний, так і колірний, що може виявитися суттєвим для оцінки пухлинного кровотоку.

Внутрішньопорожнинна ехографія з використанням ультратонких датчиків відкриває нові можливості для дослідження порожнистих органів і структур. Проте в даний час широке застосування цієї методики обмежується високою вартістю спеціалізованих датчиків, які, до того ж, можуть застосовуватися для дослідження обмежену кількість разів (1÷40).

Комп'ютерна обробка зображень з метою об'єктивізації одержуваної інформації є перспективним напрямом, який може у майбутньому покращити точність діагностики незначних структурних змін у паренхіматозних органах. На жаль, отримані на сьогодні результати суттєвого клінічного значення не мають.

Тим не менш, те, що ще вчора здавалося в ультразвуковій діагностиці далеким майбутнім, стало сьогодні звичайною рутинною практикою і, ймовірно, найближчим часом ми станемо свідками впровадження нових ультразвукових діагностичних методик у клінічну практику.

ЛІТЕРАТУРА

1. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Bioeffects Committee. – J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R14.
2. AIUM Evaluation of Biological Effects Research Reports. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Safety Statements. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R69.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine. Statement on Clinical Safety. – J. Ultrasound Med. - 1984; 3: R10.
5. Banjavic RA. Design і maintenance of quality assurance for diagnostic ultrasound equipment. - Semin. Ultrasound – 1983; 4: 10-26.
6. Bioeffects Committee. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1991.
7. Bioeffects Conference Subcommittee. Bioeffects and Safety of Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1993.
8. Eden A. Search for Christian Doppler. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et al. Doppler Ultrasound: Physics, Instrumentation, і Clinical Applications. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gill RW. Measurement of blood flow by ultrasound: accuracy and sources of errors. - Ultrasound Med. Biol. - 1985; 11: 625-641.
11. Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 7th edition. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter ТВ, Haber K. A comparison of real-time scanning with conventional static B-mode scanning. – J. Ultrasound Med. - 1983; 2: 363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Doppler Color Flow Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau FW. Біологічні ефекти і можливі hazards. In: Campbell S, ed. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. London, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau FW. Doppler angle error due to refraction. - Ultrasound Med. Biol. - 1990; 16: 523-524. - 1991; 17: 97.
16. Kremkau FW. Doppler shift frequency data. – J. Ultrasound Med. - 1987; 6: 167.
17. Kremkau FW. Безпека і тривалі терміни ultrasound: What to tell your patients. In: Platt LD, ed. Perinatal Ultrasound; Clin. Obstet. Gynecol. - 1984; 27: 269-275.
18. Kremkau FW. Technical topics (a column appearing bimonthly in the Reflections section). – J. Ultrasound Med. - 1983; 2.
19. Laing FC. Постійно обумовлені матеріалами в клінічних ultrasound. - Semin. Ultrasound -1983; 4: 27-43.
20. Merrit CRB, ed. Doppler Color Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. Хемодинамічні. 2nd edition. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Animal Sonar. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O"Rourke MF. McDonald"s Blood Flow in Arterials. Philadelphia, Lea & Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Практичний Doppler Ultrasound для Clinician. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Basic Doppler Physics. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
27. Zweibel WJ. Review of basic terms в diagnostic ultrasound. - Semin. Ultrasound – 1983; 4: 60-62.
28. Zwiebel WJ. Physics. - Semin. Ultrasound – 1983; 4:1-62.
29. П. Голямін, гол. ред. Ультразвук. Москва, "Радянська Енциклопедія", 1979.

ТЕСТОВІ ПИТАННЯ

1. Основою ультразвукового методу дослідження є:
   A. візуалізація органів та тканин на екрані приладу
   Б. взаємодія ультразвуку з тканинами тіла людини
   B. прийом відбитих сигналів
   Г. випромінювання ультразвуку
   Д. Сірошкальне представлення зображення на екрані приладу
2. Ультразвук – це звук, частота якого не нижче:
   A. 15 кГц
   Б. 20000 Гц
   B. 1 МГц Р. 30 Гц Д. 20 Гц
3. Швидкість поширення ультразвуку зростає, якщо:
   A. щільність середовища зростає
   Б. щільність середовища зменшується
   B. еластичність зростає
   Г. щільність, пружність зростають
   Д. щільність зменшується, пружність зростає
4. Усереднена швидкість поширення ультразвуку в м'яких тканинах становить:
   A. 1450 м/с
   Б. 1620 м/с
   B. 1540 м/с
   Г. 1300 м/с
   Д. 1420 м/с
5. Швидкість розповсюдження ультразвуку визначається:
   A. частотою
   Б. амплітудою
   B. довжиною хвилі
   Г. періодом
   Д. середовищем
6. Довжина хвилі у м'яких тканинах із збільшенням частоти:
   A. зменшується
   Б. залишається незмінною
   B. збільшується
7. Маючи значення швидкості поширення ультразвуку та частоти, можна розрахувати:
   A. амплітуду
   Б. період
   B. довжину хвилі
   Г. амплітуду та період Д. період та довжину хвилі
8. Зі збільшенням частоти коефіцієнт загасання в м'яких тканинах:
   A. зменшується
   Б. залишається незмінним
   B. збільшується
9. Який з наступних параметрів визначає властивості середовища, через яке проходить ультразвук:
   A. опір
   Б. інтенсивність
   B. амплітуда
   Г частота
   Д. період
10. Який параметр з наступних не може бути визначений з інших:
    A. частота
    Б. період
    B. амплітуда
    Г. довжина хвилі
    Д. швидкість поширення
11. Ультразвук відбивається від межі середовищ, що мають відмінності в:
    A. щільності
    Б. акустичний опір
    B. швидкість поширення ультразвуку
    Г. пружності
    Д. швидкості поширення ультразвуку та пружності
12. Для того, щоб розрахувати відстань до відбивача, потрібно знати:
    A. згасання, швидкість, щільність
    Б. згасання, опір
    B. згасання, поглинання
    Г. час повернення сигналу, швидкість
    Д. щільність, швидкість
13. Ультразвук може бути сфокусований:
    A. викривленим елементом
    Б. викривленим відбивачем
    B. лінзою
    Г. фазованою антеною
    Д. усім переліченим вище
14. Осьова роздільна здатність визначається:
    A. фокусуванням
    Б. відстанню до об'єкта
    B. типом датчика
    Д. середовищем
15. Поперечна роздільна здатність визначається:
    A. фокусуванням
    Б. відстанню до об'єкта
    B. типом датчика
    Р. числом коливань у імпульсі
    Д середовищем

Глава з I тома керівництва з ультразвукової діагностики,

написаного співробітниками кафедри ультразвукової діагностики

Російській медичній академії післядипломної освіти

Частоти 16 Гц-20 кГц, які здатний сприймати слуховий апарат людини прийнято називати звуковими або акустичними, наприклад, писк комара «10 кГц. Але повітря, глибини морів і земні надра наповнені звуками, що лежать поза цим діапазоном — інфра та ультразвуками. У природі ультразвук зустрічається як компонент багатьох природних шумів, в шумі вітру, водоспаду, дощу, морської гальки, що перекочується прибою, в грозових розрядах. Багато ссавців, наприклад кішки і собаки, мають здатність сприйняття ультразвуку, частоту до 100 кГц, а локаційні здібності кажанів, нічних комах і морських тварин усім добре відомі. Існування таких звуків було виявлено з розвитком акустики лише наприкінці ХІХ століття. Тоді ж розпочалися перші дослідження УЗ, але основи його застосування було закладено лише у першій третині XX-століття.

Що таке ультразвук

Ультразвукові хвилі (нечутний звук) за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підпорядковуються тим самим фізичним законам. Але ультразвук має специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці і техніці.

Ось основні з них:

• Мінімальна довжина хвилі. Для найнижчого УЗ діапазону довжина хвилі вбирається у більшості серед кількох сантиметрів. Мала довжина хвилі обумовлює променевий характер поширення УЗ хвиль. Поблизу випромінювача УЗ поширюється як пучків, за розміром близьких до розміру випромінювача. Потрапляючи на неоднорідності серед, УЗ пучок веде себе, як світловий промінь відчуваючи відбиток, заломлення, розсіювання, що дозволяє оптично непрозорих середовищах формувати звукові зображення, використовуючи чисто оптичні ефекти (фокусування, дифракцію та інших.)
• Малий період коливань, що дозволяє випромінювати ультразвук у вигляді імпульсів і здійснювати в середовищі точну тимчасову селекцію сигналів, що поширюються.
• Можливість отримання високих значень інтенсивності коливань за мінімальної амплітуди, т.к. енергія коливань пропорційна квадрату частоти. Це дозволяє створювати УЗ пучки та поля з високим рівнем енергії, не вимагаючи при цьому великогабаритної апаратури.
• В ультразвуковому полі розвиваються значні акустичні течії, тому вплив ультразвуку на середовище породжує специфічні фізичні, хімічні, біологічні та медичні ефекти, такі як кавітація, капілярний ефект, диспергування, емульгування, дегазація, знезараження, локальне нагрівання та багато інших.

Історія ультразвуку

Увага до акустиці викликано потребами морського флоту провідних держав — Англії та Франції, т.к. акустичний - єдиний вид сигналу, здатний далеко розповсюджуватися у воді. В 1826 французький вчений Колладон визначив швидкість звуку у воді. Експеримент Колладона вважається народженням сучасної гідроакустики. Удар у підводний дзвін у Женевському озері відбувався з одночасним підпалом пороху. Спалах від пороху спостерігався Колладоном на відстані 10 миль. Він також чув звук дзвону за допомогою підводної труби. Вимірюючи часовий інтервал між двома подіями, Колладон обчислив швидкість звуку — 1435 м/сек. Різниця із сучасними обчисленнями лише 3 м/сек.

У 1838 року, США, звук вперше застосували визначення профілю морського дна. Джерелом звуку, як і в досвіді Колладона, був дзвін під водою, а приймачем великі слухові труби, що опускалися за борт. Результати досвіду були невтішними — звук дзвона, як і підрив у воді порохових патронів, давав надто слабку луну, майже не чутну серед інших звуків моря. Потрібно було йти в область вищих частот, що дозволяють створювати спрямовані звукові пучки.

Перший генератор ультразвуку зробив у 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук створювався подібно до звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря у свистку Гальтона грав циліндр із гострими краями. Повітря (або інший газ), що виходить під тиском через кільцеве сопло, діаметром таким же, як і кромка циліндра, набігало на неї і виникали високочастотні коливання. Продуючи свисток воднем, вдалося отримати коливання до 170 кГц.

В 1880 П'єр і Жак Кюрі зробили вирішальне для ультразвукової техніки відкриття. Брати Кюрі помітили, що при чиненні тиску на кристали кварцу генерується електричний заряд, прямо пропорційний силі, що прикладається до кристала. Це було названо «п'єзоелектрику» від грецького слова, що означає «натиснути». Крім того, вони продемонстрували зворотний п'єзоелектричний ефект, який проявлявся тоді, коли електричний потенціал, що швидко змінюється, застосовувався до кристала, викликаючи його вібрацію. Відтепер з'явилася технічна можливість виготовлення малогабаритних випромінювачів та приймачів ультразвуку.

Загибель "Титаніка" від зіткнення з айсбергом, необхідність боротьби з новою зброєю - підводними човнами вимагали швидкого розвитку ультразвукової гідроакустики. У 1914 році, французький фізик Поль Ланжевен спільно з російським ученим, який жив у Швейцарії - Костянтином Шиловським вперше розробили гідролокатор, що складається з випромінювача ультразвуку та гідрофону - приймача УЗ коливань, заснований на п'єзоефект. Гідролокатор Ланжевена — Шиловського був першим ультразвуковим пристроєм, що застосовувався на практиці. Також початку століття російський учений С.Я.Соколов розробив основи ультразвукової дефектоскопії у промисловості. У 1937 році німецький лікар-Упсихіатр Карл Дусік, разом із братом Фрідріхом, фізиком, вперше застосували ультразвук для виявлення пухлин головного мозку, але результати, отримані ними, виявилися недостовірними. У медичній діагностиці ультразвук почав застосовуватися лише з 50-х років ХХ століття США.

Застосування ультразвуку

Різноманітні застосування ультразвуку можна умовно поділити на три напрямки:

1. отримання інформації за допомогою ультразвуку
2. вплив на речовину, істота
3. обробка та передача сигналів

Залежність швидкості розповсюдження та згасання акустичних хвиль від властивостей речовини та процесів, що в них відбуваються, використовується для:

• контролю протікання хімічних реакцій, фазових переходів, полімеризації та ін.
• визначення міцнісних характеристик та складу матеріалів,
• визначення наявності домішок,
• визначення швидкості перебігу рідини та газу

За допомогою ультразвуку можна прати, відлякувати гризунів, використовувати в медицині, перевіряти різні матеріали на наявність дефектів та ще багато чого цікавого.

Ультразвук

Ультразвук- пружні коливання із частотою поза чутності в людини. Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають частоти вище 18000 герц.

Хоча про існування ультразвуку відомо давно, його практичне використання досить молоде. У наш час ультразвук широко застосовується у різних фізичних та технологічних методах. Так, за швидкістю поширення звуку серед судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з дуже малими похибками визначати, наприклад, адіабатичні характеристики швидкоплинних процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні тверді тіла.

Джерела ультразвуку

Частота ультразвукових коливань, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Такі коливання зазвичай створюють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів із титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як компонентів багатьох природних шумів (у шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, у звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворюють вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке випромінює в довкілля акустичні хвилі.

Свисток Гальтона

Перший ультразвуковий свисток зробив у 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно до звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря у свистку Гальтона грає «губа» у маленькій циліндричній резонансній порожнині. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю «губу»; виникають коливання, частота яких (вона становить близько 170 кГц) визначається розмірами сопла та губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак та кішок.

Рідкісний ультразвуковий свисток

Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвуку рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони мають істотну перевагу. Так як ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища в інше. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція ультразвукового свистка рідини, виготовленого англійськими вченими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років XX століття. У ньому потік рідини під високим тиском виходить із еліптичного сопла і спрямовується на сталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкого поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки пластинка, що коливається) такі системи довговічні і недорогі.

Сирена

Інший різновид механічних джерел ультразвуку - сирена. Вона має відносно велику потужність і застосовується в поліцейських і пожежних машинах. Усі ротаційні сирени складаються з камери, закритої зверху диском (статором), у якому виготовлено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску - роторі, що обертається всередині камери. При обертанні ротора положення отворів у ньому періодично збігається з положенням отворів на статорі. У камеру безперервно подається стиснене повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі та статорі збігаються.

Основне завдання при виготовленні сирен - це по-перше- зробити якнайбільше отворів у роторі, по-друге- досягти великої швидкості його обертання. Проте практично виконати ці вимоги дуже важко.

Ультразвук у природі

Застосування ультразвуку

Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)

Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості в порівнянні з рентгенівськими променями та простотою використання у порівнянні з магнітно-резонансною томографією ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевній порожнині та порожнині тазу.

Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині

Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. ультразвукове дослідження), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.

Ультразвук має дію:

• протизапальним, розсмоктуючим
• аналгетичним, спазмолітичним
• кавітаційним посиленням проникності шкіри

Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканині діють ультразвуком і лікувальними речовинами, що вводяться з його допомогою (як медикаментами, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу та шкірних залоз, клітинних мембран та стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо – іонів мінералів бішофіту. Зручність ультрафонофорезу медикаментів та природних речовин:

• лікувальна речовина при введенні ультразвуком не руйнується
• синергізм дії ультразвуку та лікувальної речовини

Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, п'яткова шпора, стани після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.

Наноситься бішофіт-гель та робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофорезу (при УФФ суглобів, хребта інтенсивність в області шийного відділу – 0,2-0,4 Вт/см2., в області грудного та поперекового відділу – 0,4-0,6 Вт/см2).

Різання металу за допомогою ультразвуку

На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад, у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото повністю замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше фрезерного верстата та обробляти ним металеві деталі дешевше та швидше, ніж фрезерним верстатом.

Ультразвуком можна робити гвинтову нарізку в металевих деталях, у склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім вже деталь піддають загартування. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі та у найтвердіших сплавах. Те саме і зі штампами. Зазвичай штамп гартують вже після його ретельного оздоблення. На ультразвуковому верстаті найскладнішу обробку здійснює абразив (наждак, корундовий порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно коливаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблюваний метал і вирізають отвір такої ж форми, як і в долота.

Приготування сумішей за допомогою ультразвуку

Широко застосовується ультразвук для виготовлення однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві рідини, що не змішуються (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна зависла олії у воді. Подібні емульсії грають велику роль промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.

Застосування ультразвуку у біології

Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування у біологічних дослідженнях, наприклад, за необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії та хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їхньою структурою та функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження в Оксфорді показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій відіграє велику роль у селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.

Застосування ультразвуку для очищення

Застосування ультразвуку для механічного очищення ґрунтується на виникненні під його впливом у рідині різних нелінійних ефектів. До них належить кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль грає кавітація. Її бульбашки, виникаючи і ляскаючи поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Використовуваний для цього ультразвук має низьку частоти і підвищену потужність.

У лабораторних та виробничих умовах для миття дрібних деталей та посуду застосовуються ультразвукові ванни заполонені розчинником (вода, спирт тощо). Іноді з їх допомогою від часток землі миють навіть коренеплоди (картопля, морква, буряк та ін.).

Застосування ультразвуку у витратометрії

Для контролю витрати та обліку води та теплоносія з 60-х років минулого століття у промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.

Застосування ультразвуку в дефектоскопії

Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів цих матеріалів. Останнім часом отримує розвиток напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з гарною роздільною здатністю.

Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, яке здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрівання яких утруднене, або при з'єднанні різнорідних металів або металів із міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі сталі, магнітопроводи з пермалою тощо). Так ультразвукове зварювання застосовується під час виробництва інтегральних мікросхем.

Застосування ультразвуку в гальванотехніці

Ультразвук застосовують для інтенсифікації гальванічних процесів та покращення якості покриттів, одержуваних електрохімічним способом.

Ультразвук- Пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо приймає поширені серед пружні хвилі частотою приблизно до 16-20 кГц; коливання з вищою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20000 до мільярда Гц. Звукові коливання із вищою частотою називають гіперзвуком. У рідинах та твердих тілах звукові коливання можуть досягати 1000 ГГц.

Хоча про існування ультразвуку вченим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці та промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується у різних галузях фізики, технології, хімії та медицини.

Джерела Ультразвуку

Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз та дзеркал. Ультразвуковий пучок із необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, у звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворюють вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.

Поширення ультразвуку.

Поширення ультразвуку - це процес переміщення у просторі та в часі обурень, що мають місце у звуковій хвилі.

Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, у тому напрямку, в якому відбувається зміщення частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрядження та стиснення певних обсягів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більший питомий акустичне опір середовища, тим більше ступінь стиснення і розрядження середовища при даній амплітуді коливань.

Частинки середовища, що у передачі енергії хвилі, коливаються біля становища свого рівноваги. Швидкість, з якою частки коливаються біля середнього положення рівноваги, називається коливальною.

швидкістю.

Дифракція, інтерференція

При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції та відображення.

Дифракція (огинання хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами перешкоди, що знаходиться на шляху. Якщо перешкода проти довжиною акустичної хвилі велика, то явища дифракції немає.

При одночасному русі в тканині декількох ультразвукових хвиль у певній точці середовища може відбуватися суперпозиція цих хвиль. Таке накладання хвиль друг на друга зветься інтерференції. Якщо у процесі проходження через біологічний об'єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то певній точці біологічного середовища спостерігається посилення чи ослаблення коливань. Результат інтерференції залежатиме від просторового співвідношення фаз ультразвукових коливань у цій точці середовища. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), то зміщення часток мають однакові знаки та інтерференція в таких умовах сприяє збільшенню амплітуди ультразвукових коливань. Якщо ж ультразвукові хвилі приходять до конкретної ділянки в протифазі, зміщення частинок буде супроводжуватися різними знаками, що призводить до зменшення амплітуди ультразвукових коливань.

Інтерференція відіграє важливу роль в оцінці явищ, що виникають у тканинах навколо ультразвукового випромінювача. Особливо велике значення має інтерференція при розповсюдженні ультразвукових хвиль у протилежних напрямках після відбиття від перешкоди.

Поглинання ультразвукових хвиль

Якщо середовище, в якому відбувається розповсюдження ультразвуку, має в'язкість і теплопровідність або в ній є інші процеси внутрішнього тертя, то при поширенні хвилі відбувається поглинання звуку, тобто в міру віддалення від джерела амплітуда ультразвукових коливань стає менше, так само як і енергія, яку вони несуть. Середовище, в якому поширюється ультразвук, вступає у взаємодію з енергією, що проходить через нього, і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється на тепло, менша частина викликає в передавальній речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя частинок один про одного, у різних середовищах воно по-різному. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційне квадрату частоти.

Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в середовищі, що опромінюється. Зі зростанням частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань у середовищі зменшується за експонентним законом. Цей процес обумовлений внутрішнім тертям, теплопровідністю поглинаючого середовища та її структурою. Його орієнтовно характеризує величина напівпоглинаючого шару, яка вказує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується вдвічі (точніше в 2,718 рази або на 63%). По Пальману при частоті, що дорівнює 0,8 МГц середні величини напівпоглинаючого шару деяких тканин такі: жирова тканина - 6,8 див; м'язова – 3,6 см; жирова та м'язова тканини разом - 4,9 см. Зі збільшенням частоти ультразвуку величина напівпоглинаючого шару зменшується. Так при частоті, що дорівнює 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову та м'язову тканини, зменшується вдвічі на глибині 1,5 см.

Крім того, можливе аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань у деяких діапазонах частот – це залежить від особливостей молекулярної будови цієї тканини. Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку згасає на молекулярному рівні та 1/3 на рівні мікроскопічних тканинних структур.

Глибина проникнення ультразвукових хвиль

Під глибиною проникнення ультразвуку розуміють глибину, коли інтенсивність зменшується на половину. Ця величина обернено пропорційна поглинанню: чим сильніше середовище поглинає ультразвук, тим менша відстань, на якій інтенсивність ультразвуку послаблюється наполовину.

Розсіювання ультразвукових хвиль

Якщо середовищі є неоднорідності, відбувається розсіювання звуку, що може істотно змінити просту картину поширення ультразвуку і, зрештою, також викликати згасання хвилі у початковому напрямі поширення.

Заломлення ультразвукових хвиль

Оскільки акустичний опір м'яких тканин людини ненабагато відрізняється від опору води, можна припустити, що на межі розділу середовищ (епідерміс – дерма – фасція – м'яз) спостерігатиметься заломлення ультразвукових хвиль.

Відображення ультразвукових хвиль

На явище відображення заснована ультразвукова діагностика. Відображення відбувається в прикордонних областях шкіри та жиру, жиру та м'язів, м'язів та кісток. Якщо ультразвук при поширенні наштовхується на перешкоду, відбувається відображення, якщо перешкода мало, то ультразвук його як би обтікає. Неоднорідності організму не викликають значних відхилень, оскільки порівняно з довжиною хвилі (2 мм) їх розмірами (0,1-0,2 мм) можна знехтувати. Якщо ультразвук на своєму шляху наштовхується на органи, розміри яких більші за довжину хвилі, то відбувається заломлення та відображення ультразвуку. Найбільш сильне відображення спостерігається на межах кістка - навколишні її тканини та тканини - повітря. У повітря мала щільність і спостерігається майже повне відбиття ультразвуку. Відображення ультразвукових хвиль спостерігається на межі м'яз - окістя - кістка, на поверхні порожнистих органів.

Біжучі та стоячі ультразвукові хвилі

Якщо при поширенні ультразвукових хвиль у середовищі не відбувається їх відображення, утворюються хвилі, що біжать. В результаті втрат енергії коливальні рухи частинок середовища поступово згасають, і чим далі розташовані частинки від випромінюючої поверхні, тим менше амплітуда їх коливань. Якщо ж на шляху розповсюдження ультразвукових хвиль є тканини з різними питомими акустичними опорами, то тією чи іншою мірою відбувається відображення ультразвукових хвиль від прикордонного розділу. Накладання падаючих і ультразвукових хвиль, що відбиваються, може призводити до виникнення стоячих хвиль. Для виникнення стоячих хвиль відстань від поверхні випромінювача до поверхні, що відбиває, має бути кратним половині довжини хвилі.

Ультразвук

Ультразвук- пружні коливання із частотою поза чутності в людини. Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають частоти вище 18000 герц.

Хоча про існування ультразвуку відомо давно, його практичне використання досить молоде. У наш час ультразвук широко застосовується у різних фізичних та технологічних методах. Так, за швидкістю поширення звуку серед судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з дуже малими похибками визначати, наприклад, адіабатичні характеристики швидкоплинних процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні тверді тіла.

Джерела ультразвуку

Частота ультразвукових коливань, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Такі коливання зазвичай створюють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів із титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як компонентів багатьох природних шумів (у шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, у звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворюють вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке випромінює в довкілля акустичні хвилі.

Свисток Гальтона

Перший ультразвуковий свисток зробив у 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно до звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря у свистку Гальтона грає «губа» у маленькій циліндричній резонансній порожнині. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю «губу»; виникають коливання, частота яких (вона становить близько 170 кГц) визначається розмірами сопла та губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак та кішок.

Рідкісний ультразвуковий свисток

Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвуку рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони мають істотну перевагу. Так як ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища в інше. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція ультразвукового свистка рідини, виготовленого англійськими вченими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років XX століття. У ньому потік рідини під високим тиском виходить із еліптичного сопла і спрямовується на сталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкого поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки пластинка, що коливається) такі системи довговічні і недорогі.

Сирена

Інший різновид механічних джерел ультразвуку - сирена. Вона має відносно велику потужність і застосовується в поліцейських і пожежних машинах. Усі ротаційні сирени складаються з камери, закритої зверху диском (статором), у якому виготовлено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску - роторі, що обертається всередині камери. При обертанні ротора положення отворів у ньому періодично збігається з положенням отворів на статорі. У камеру безперервно подається стиснене повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі та статорі збігаються.

Основне завдання при виготовленні сирен - це по-перше- зробити якнайбільше отворів у роторі, по-друге- досягти великої швидкості його обертання. Проте практично виконати ці вимоги дуже важко.

Ультразвук у природі

Застосування ультразвуку

Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)

Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості в порівнянні з рентгенівськими променями та простотою використання у порівнянні з магнітно-резонансною томографією ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевній порожнині та порожнині тазу.

Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині

Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. ультразвукове дослідження), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.

Ультразвук має дію:

• протизапальним, розсмоктуючим
• аналгетичним, спазмолітичним
• кавітаційним посиленням проникності шкіри

Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканині діють ультразвуком і лікувальними речовинами, що вводяться з його допомогою (як медикаментами, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу та шкірних залоз, клітинних мембран та стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо – іонів мінералів бішофіту. Зручність ультрафонофорезу медикаментів та природних речовин:

• лікувальна речовина при введенні ультразвуком не руйнується
• синергізм дії ультразвуку та лікувальної речовини

Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, шпора п'яти, стани після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.

Наноситься бішофіт-гель та робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофорезу (при УФФ суглобів, хребта інтенсивність в області шийного відділу – 0,2-0,4 Вт/см2., в області грудного та поперекового відділу – 0,4-0,6 Вт/см2).

Різання металу за допомогою ультразвуку

На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад, у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото повністю замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше фрезерного верстата та обробляти ним металеві деталі дешевше та швидше, ніж фрезерним верстатом.

Ультразвуком можна робити гвинтову нарізку в металевих деталях, у склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім вже деталь піддають загартування. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі та у найтвердіших сплавах. Те саме і зі штампами. Зазвичай штамп гартують вже після його ретельного оздоблення. На ультразвуковому верстаті найскладнішу обробку здійснює абразив (наждак, корундовий порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно коливаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблюваний метал і вирізають отвір такої ж форми, як і в долота.

Приготування сумішей за допомогою ультразвуку

Широко застосовується ультразвук для виготовлення однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві рідини, що не змішуються (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна зависла олії у воді. Подібні емульсії грають велику роль промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.

Застосування ультразвуку у біології

Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування у біологічних дослідженнях, наприклад, за необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії та хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їхньою структурою та функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження в Оксфорді показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій відіграє велику роль у селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.

Застосування ультразвуку для очищення

Застосування ультразвуку для механічного очищення ґрунтується на виникненні під його впливом у рідині різних нелінійних ефектів. До них належать кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль грає кавітація. Її бульбашки, виникаючи і ляскаючи поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Використовуваний для цього ультразвук має низьку частоти і підвищену потужність.

У лабораторних та виробничих умовах для миття дрібних деталей та посуду застосовуються ультразвукові ванни заполонені розчинником (вода, спирт тощо). Іноді з їх допомогою від часток землі миють навіть коренеплоди (картопля, морква, буряк та ін.).

Застосування ультразвуку у витратометрії

Для контролю витрати та обліку води та теплоносія з 60-х років минулого століття у промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.

Застосування ультразвуку в дефектоскопії

Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів цих матеріалів. Останнім часом отримує розвиток напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з гарною роздільною здатністю.

Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, яке здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрівання яких утруднене, або при з'єднанні різнорідних металів або металів із міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі сталі, магнітопроводи з пермалою тощо). Так застосовується під час виробництва інтегральних мікросхем.

Російська енциклопедія з охорони праці

Пружні хвилі із частотами прибл. від (1,52) 104Гц (15 20 кГц) до 109 Гц (1 ГГц); область частот У. від 109 до 1012 1013 Гц прийнято зв. гіперзвуком. Область частот У. зручно поділяти на три діапазони: У. низьких частот (1,5 104 105 Гц), У. Фізична енциклопедія

УЛЬТРАЗВУК, що не чують людським вухом пружні хвилі, частоти яких перевищують 20 кГц. Ультразвук міститься в шумі вітру і моря, видається і сприймається поруч тварин (кажани, дельфіни, риби, комахи та ін.), присутній у шумі… Сучасна енциклопедія

Пружні хвилі, що не чують людським вухом, частоти яких перевищують 20 кГц. Ультразвук міститься в шумі вітру і моря, видається і сприймається поруч тварин (кажани, риби, комахи та ін.), присутній у шумі машин. Застосовується в... Великий Енциклопедичний словник

Пружні хвилі із частотою коливань від 20 кГц до 1 ГГц. Найважливіші сфери застосування ультразвуку гідролокація, звукопідводний зв'язок, навігація, самонаведення зброї, глибоководні дослідження тощо EdwART. Тлумачний Військово морський Словник, 2010 …

Ультразвук- пружні коливання та хвилі з частотами вище діапазону чутності людини.

21-е століття - століття радіоелектроніки, атома, підкорення космосу та ультразвуку. Порівняно молода в наші дні наука про ультразвук. Наприкінці 19 століття П. М. Лебедєв, російський учений-фізіолог, провів перші дослідження. Після цього ультразвуком почали займатися багато видатних учених.

Що таке ультразвук?

Ультразвук - це хвилеподібний коливальний рух, що поширюються, який здійснюють частинки середовища. Він має свої особливості, якими відрізняється від звуків чутного діапазону. Порівняно легко в ультразвуковому діапазоні отримати спрямоване випромінювання. До того ж він добре фокусується, і в результаті цього підвищується інтенсивність коливань. При поширенні в твердих тілах, рідинах і газах ультразвук породжує цікаві явища, що знайшли практичне застосування у багатьох галузях техніки та науки. Ось що таке ультразвук, роль якого у різних сферах життя сьогодні дуже велика.

Роль ультразвуку в науці та практиці

Ультразвук останніми роками став грати у наукових дослідженнях дедалі більшу роль. Були успішно проведені експериментальні та теоретичні дослідження в галузі акустичних течій та ультразвукової кавітації, що дозволило вченим розробити технологічні процеси, що протікають при впливі в рідкій фазі ультразвуку. Він є потужним методом дослідження різноманітних явищ у такій галузі знання, як фізика. Ультразвук застосовується, наприклад, у фізиці напівпровідників та твердого тіла. Сьогодні формується окремий напрямок хімії, що отримав назву "ультразвукова хімія". Її застосування дозволяє прискорити велику кількість хіміко-технологічних процесів. З'явилися також молекулярна акустика – новий розділ акустики, який вивчає молекулярну взаємодію з речовиною З'явилися нові сфери застосування ультразвуку: голографія, інтроскопія, акустоелектроніка, ультразвукова фазомірія, квантова акустика.

Крім експериментальних та теоретичних робіт у цій галузі, сьогодні було виконано безліч практичних. Розроблено спеціальні та універсальні ультразвукові верстати, установки, які працюють під підвищеним статичним тиском та ін. Впроваджено у виробництво ультразвукові автоматичні установки, включені до потокових ліній, що дозволяє суттєво підвищити продуктивність праці.

Докладніше про ультразвук

Розкажемо докладніше про те, що таке ультразвук. Ми вже говорили про те, що це пружні хвилі та ультразвуку становить понад 15-20 кГц. Суб'єктивними властивостями нашого слуху визначається нижня межа ультразвукових частот, яка відокремлює її від частоти чутного звуку. Цей кордон, таким чином, є умовним, і кожен з нас по-різному визначає, що таке ультразвук. Верхня межа позначена пружними хвилями, їхньою фізичною природою. Вони поширюються тільки в матеріальному середовищі, тобто довжина хвилі повинна бути істотно більшою, ніж довжина вільного пробігу наявних у газі молекул або міжатомних відстаней у твердих тілах і рідинах. При нормальному тиску в газах верхня межа частот УЗ - 109 Гц, а твердих тілах і рідинах - 1012-1013 Гц.

Джерела ультразвуку

Ультразвук у природі зустрічається і як компонент безлічі природних шумів (водоспаду, вітру, дощу, гальки, що перекочується прибоєм, а також у звуках, що супроводжують розряди грози і т. д.), і як невід'ємна частина тваринного світу. Їм деякі види тварин користуються для орієнтування у просторі, виявлення перешкод. Відомо, крім того, що ультразвук у природі використовують дельфіни (переважно частоти від 80 до 100 кГц). Дуже великий у своїй можливо потужність випромінюваних ними локаційних сигналів. Відомо, що дельфіни здатні виявляти косяки риб, що знаходяться на відстані до кілометра від них.

Випромінювачі (джерела) ультразвуку поділяються на 2 великі групи. Перша - це генератори, у яких коливання збуджуються через наявність у яких перешкод, встановлених шляху руху постійного потоку - струменя рідини чи газу. Друга група, в яку можна об'єднати джерела ультразвуку, - електроакустичні перетворювачі, які перетворюють задані коливання струму або електричної напруги на механічне коливання, що здійснюється твердим тілом, що випромінює акустичні хвилі в навколишнє середовище.

Приймачі ультразвуку

На середніх та приймачах ультразвуку виступають найчастіше п'єзоелектричного типу електроакустичні перетворювачі. Вони можуть відтворювати форму отриманого акустичного сигналу, представлену як часова залежність звукового тиску. Прилади може бути або широкосмуговими, або резонансними - залежно від цього, яких умов застосування вони призначені. Термічні приймачі використовують отримання характеристик звукового поля, усереднених за часом. Вони є покриті звукопоглинаючою речовиною термістори або термопари. Звуковий тиск та інтенсивність можна оцінювати також оптичними методами, такими як дифракція світла на УЗ.

Де використовується ультразвук?

Існує безліч сфер застосування, при цьому використовуються різні особливості ультразвуку. Ці сфери можна розбити умовно втричі напрями. Перше з них пов'язане з отриманням за допомогою УЗ-хвиль різної інформації. Другий напрямок - активна дія його на речовину. А третє пов'язане з передачею та обробкою сигналів. УЗ певного використовується у кожному конкретному випадку. Ми розповімо тільки про деякі з багатьох областей, у яких він знайшов своє застосування.

Очищення за допомогою ультразвуку

Якість такої очистки не можна порівняти з іншими способами. При полосканні деталей, наприклад, лежить на поверхні їх зберігається до 80% забруднень, близько 55 % - при вібраційної очищення, близько 20 % - при ручної, а за ультразвукової залишається трохи більше 0,5 % забруднень. Деталі, які мають складну форму, можна добре очистити лише за допомогою ультразвуку. Важливою перевагою використання є висока продуктивність, і навіть малі витрати фізичної праці. Більш того, можна замінити дорогі та вогненебезпечні органічні розчинники дешевими та безпечними водними розчинами, застосовувати рідкий фреон та ін.

Серйозна проблема - забруднення повітря кіптявою, димом, пилом, окислами металів і т. д. Можна використовувати ультразвуковий спосіб очищення повітря та газу в газовідведення незалежно від вологості середовища та температури. Якщо УЗ-випромінювач помістити в пилоосаду, в сотні разів збільшиться ефективність її дії. У чому полягає сутність такої очищення? Порошинки, що безладно рухаються в повітрі, сильніше і частіше ударяються один про одного під дією ультразвукових коливань. При цьому розмір їх збільшується завдяки тому, що вони зливаються. Коагуляцією називається процес укрупнення частинок. Спеціальними фільтрами вловлюються обтяжені та укрупнені їх скупчення.

Механічна обробка крихких та надтвердих матеріалів

Якщо ввести між оброблюваною деталлю і робочою поверхнею інструменту, що використовує ультразвук, то частки абразиву при роботі випромінювача впливатимуть на поверхню цієї деталі. При цьому руйнується матеріал і видаляється, піддаючись обробці під дією множини спрямованих мікроударів. Кінематика обробки складається з основного руху - різання, тобто що здійснюються інструментом поздовжніх коливань, і допоміжного - руху подачі, які здійснює апарат.

Ультразвук може виконувати різні роботи. Для абразивних зерен джерелом енергії є поздовжні коливання. Вони й руйнують матеріал, що обробляється. Рух подачі (допоміжний) може бути круговим, поперечним та поздовжнім. Обробка за допомогою ультразвуку має велику точність. Залежно від цього, яку зернистість має абразив, вона становить від 50 до 1 мк. Використовуючи інструменти різної форми, можна робити не тільки отвори, але також складні вирізи, криволінійні осі, гравірувати, шліфувати, виготовляти матриці і навіть свердлити алмаз. Використовувані як абразив матеріали – корунд, алмаз, кварцовий пісок, кремінь.

Ультразвук у радіоелектроніці

Ультразвук у техніці часто використовується в галузі радіоелектроніки. У цій сфері часто виникає потреба затримати електричний сигнал щодо якогось іншого. Вчені знайшли вдале рішення, запропонувавши використовувати ультразвукові лінії затримки (скорочено – ЛЗ). Їхня дія заснована на тому, що електричні імпульси перетворюються на ультразвукові. Як же це відбувається? Справа в тому, що швидкість ультразвуку істотно менша, ніж та, яку розвивають Імпульс напруги після зворотного перетворення в електричні механічні коливання буде затриманий на виході лінії щодо імпульсу вхідного.

П'єзоелектричні та магнітострикційні перетворювачі використовують для перетворення коливань електричних у механічні та назад. ЛЗ відповідно до цього поділяються на п'єзоелектричні та магнітострикційні.

Ультразвук у медицині

Різні види ультразвуку використовуються для впливу на живі організми. У медичній практиці його використання зараз дуже популярне. Воно ґрунтується на ефектах, що виникають у біологічних тканинах тоді, коли через них проходить ультразвук. Хвилі викликають коливання частинок середовища, що створює своєрідний мікромасаж тканин. А поглинання ультразвуку веде до їхнього локального нагрівання. Водночас у біологічних середовищах відбуваються певні фізико-хімічні перетворення. Ці явища у разі помірної інтенсивності звуку необоротних ушкоджень не викликають. Вони тільки покращують обмін речовин, а значить і сприяють життєдіяльності схильного до них організму. Такі явища застосовуються в УЗ-ній терапії.

Ультразвук у хірургії

Кавітація та сильне нагрівання при великих інтенсивностях призводять до руйнування тканин. Цей ефект застосовується сьогодні у хірургії. Фокусний ультразвук застосовують для хірургічних операцій, що дозволяє здійснювати локальні руйнування в самих глибинних структурах (наприклад, мозку), не ушкоджуючи у своїй оточуючі. У хірургії також використовують ультразвукові інструменти, в яких робочий кінець має вигляд пилки, скальпеля, голки. Коливання, що накладаються на них, надають нові якості цим приладам. Необхідне зусилля значно знижується, отже, зменшується травматизм операції. До того ж проявляється знеболюючий та кровоспинний ефект. Вплив тупим інструментом із застосуванням ультразвуку використовується для руйнування деяких видів новоутворень, що з'явилися в організмі.

Вплив на біологічні тканини здійснюється для руйнування мікроорганізмів та використовується у процесах стерилізації лікарських засобів та медичних інструментів.

Дослідження внутрішніх органів

Здебільшого йдеться про дослідження черевної порожнини. Для цього використовується спеціальний апарат. Ультразвук може застосовуватися для знаходження та розпізнавання різних аномалій тканин та анатомічних структур. Завдання часто таке: існує підозра на наявність злоякісної освіти і потрібно відрізнити її від освіти доброякісної чи інфекційної.

Ультразвук корисний при дослідженні печінки та для вирішення інших завдань, до яких відноситься виявлення непрохідності та захворювань жовчних проток, а також дослідження жовчного міхура для виявлення наявності в ньому каміння та інших патологій. Крім того, може застосовуватись дослідження цирозу та інших дифузних доброякісних захворювань печінки.

У галузі гінекології, головним чином під час аналізу яєчників і матки, застосування ультразвуку є протягом багато часу головним напрямом, у якому воно здійснюється особливо успішно. Найчастіше тут також потрібна диференціація доброякісних та злоякісних утворень, що вимагає зазвичай найкращого контрастного та просторового дозволу. Подібні висновки можуть бути корисними і при дослідженні багатьох інших внутрішніх органів.

Застосування ультразвуку у стоматології

Ультразвук також знайшов своє застосування у стоматології, де він використовується для видалення зубного каменю. Він дозволяє швидко, безкровно та безболісно зняти наліт та камінь. При цьому слизова оболонка порожнини рота не травмується, а "кишені" порожнини знезаражуються. Замість болю пацієнт відчуває відчуття теплоти.

Якщо якесь тіло коливається в пружному середовищі швидше, ніж середовище встигає обтікати його, воно своїм рухом стискає, то розріджує середовище. Шари підвищеного і зниженого тиску розбігаються від тіла, що коливається на всі боки і утворюють звукові хвилі. Якщо коливання тіла, що створює хвилю, йдуть один за одним не рідше, ніж 16 разів на секунду не частіше, ніж 18 тисяч разів на секунду, то людське вухо чує їх.

Частоти 16 – 18000 Гц, які здатний сприймати слуховий апарат людини прийнято називати звуковими, наприклад писком комара» 10 кГц. Але повітря, глибини морів і земні надра наповнені звуками, що лежать нижче і вище від цього діапазону - інфра та ультразвуками. У природі ультразвук зустрічається як компонент багатьох природних шумів: у шумі вітру, водоспаду, дощу, морської гальки, що перекочується прибоєм, у грозових розрядах. Багато ссавців, наприклад кішки та собаки, мають здатність сприйняття ультразвуку частотою до 100 кГц, а локаційні здібності кажанів, нічних комах та морських тварин усім добре відомі. Існування нечутних звуків було з розвитком акустики наприкінці ХІХ століття. Тоді ж розпочалися перші дослідження ультразвуку, але основи його застосування були закладені лише у першій третині XX-століття.

Нижню межу ультразвукового діапазону називають пружні коливання частотою від 18 кГц. Верхня межа ультразвуку визначається природою пружних хвиль, які можуть поширюватися лише за умови, що довжина хвилі значно більша за довжину вільного пробігу молекул (у газах) або міжатомних відстаней (в рідинах і газах). У газах верхня межа становить 106 кГц, у рідинах і твердих тілах 1010 кГц. Як правило, ультразвуком називають частоти до 106 кГц. Вищі частоти прийнято називати гіперзвуком.

Ультразвукові хвилі за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підпорядковуються тим самим фізичним законам. Проте, ультразвук має специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці та техніці. Ось основні з них:

• Мінімальна довжина хвилі. Для найнижчого ультразвукового діапазону довжина хвилі вбирається у більшості серед кількох сантиметрів. Мала довжина хвилі обумовлює променевий характер поширення УЗ хвиль. Поблизу випромінювача ультразвук поширюється як пучків за розміром близьких до розміру випромінювача. Потрапляючи на неоднорідності в середовищі, ультразвуковий пучок поводиться як світловий промінь, відчуваючи відображення, заломлення, розсіювання, що дозволяє формувати звукові зображення в оптично непрозорих середовищах, використовуючи чисто оптичні ефекти (фокусування, дифракцію та ін.)
• Малий період коливань, що дозволяє випромінювати ультразвук у вигляді імпульсів і здійснювати в середовищі точну тимчасову селекцію сигналів, що поширюються.
• Можливість отримання високих значень енергії коливань за мінімальної амплітуди, т.к. енергія коливань пропорційна квадрату частоти. Це дозволяє створювати УЗ пучки та поля з високим рівнем енергії, не вимагаючи при цьому великогабаритної апаратури.
• У ультразвуковому полі розвиваються значні акустичні течії. Тому вплив ультразвуку на середовище породжує специфічні ефекти: фізичні, хімічні, біологічні та медичні. Такі як кавітація, звукокапілярний ефект, диспергування, емульгування, дегазація, знезараження, локальне нагрівання та багато інших.
• Ультразвук нечутний і не створює дискомфорту обслуговуючого персоналу.

Історія ультразвуку. Хтось відкрив ультразвук.

Увага до акустиці викликано потребами морського флоту провідних держав - Англії та Франції, т.к. акустичний – єдиний вид сигналу, здатний далеко поширюватися у воді. У 1826 році французький вчений Колладонвизначив швидкість звуку у воді. Експеримент Колладона вважається народженням сучасної гідроакустики. Удар у підводний дзвін у Женевському озері відбувався з одночасним підпалом пороху. Спалах від пороху спостерігався Колладоном на відстані 10 миль. Він також чув звук дзвону за допомогою підводної труби. Вимірюючи часовий інтервал між двома подіями, Колладон обчислив швидкість звуку - 1435 м/сек. Різниця із сучасними обчисленнями лише 3 м/сек.

У 1838 року, США, звук вперше застосували визначення профілю морського дна з метою прокладання телеграфного кабелю. Джерелом звуку, як і в досвіді Колладона, був дзвін під водою, а приймачем великі слухові труби, що опускалися за борт корабля. Результати досвіду виявилися невтішними. Звук дзвона (як, втім, і підрив у воді порохових патронів), давав надто слабку луну, майже не чутну серед інших звуків моря. Потрібно було йти в область вищих частот, що дозволяють створювати спрямовані звукові пучки.

Перший генератор ультразвукузробив у 1883 році англієць Френсіс Гальтон. Ультразвук створювався подібно до свисту на вістря ножа, якщо на нього дмухати. Роль такого вістря у свистку Гальтона грав циліндр із гострими краями. Повітря або інший газ, що виходить під тиском через кільцеве сопло, діаметром таким же, як і край циліндра, набігав на край, і виникали високочастотні коливання. Продуючи свисток воднем, вдалося отримати коливання до 170 кГц.

У 1880 році П'єр та Жак Кюрізробили вирішальне для ультразвукової техніки відкриття. Брати Кюрі помітили, що при чиненні тиску на кристали кварцу генерується електричний заряд, прямо пропорційний силі, що прикладається до кристала. Це було названо " п'єзоелектрика " від грецького слова, що означає " натиснути " . Крім того, вони продемонстрували зворотний п'єзоелектричний ефект, який проявлявся тоді, коли електричний потенціал, що швидко змінюється, застосовувався до кристала, викликаючи його вібрацію. Відтепер з'явилася технічна можливість виготовлення малогабаритних випромінювачів та приймачів ультразвуку.

Загибель «Титаніка» від зіткнення з айсбергом, необхідність боротьби з новою зброєю – підводними човнами вимагали швидкого розвитку ультразвукової гідроакустики. У 1914 році французький фізик Поль ЛанжевенРазом з талановитим російським ученим-эмигрантом - Костянтином Васильовичем Шиловським вперше розробили гидролокатор, що з випромінювача ультразвуку і гидрофона - приймача УЗ коливань, заснований на пьезоэффекте. Гідролокатор Ланжевена - Шиловського, був першим ультразвуковим пристроєм, що застосовувалися на практиці Тоді ж російський учений С.Я.Соколов розробив основи ультразвукової дефектоскопії у промисловості. У 1937 році німецький лікар-психіатр Карл Дусік, разом із братом Фрідріхом, фізиком, вперше застосували ультразвук для виявлення пухлин головного мозку, але результати, отримані ними, виявилися недостовірними. У медичній практиці ультразвук вперше став застосовуватися лише з 50-х років ХХ століття США.

Одержання ультразвуку.

Випромінювачі ультразвуку можна розділити на дві великі групи:

1) Коливання збуджуються перешкодами на шляху струменя газу чи рідини, або переривання струменя газу чи рідини. Використовуються обмежено, в основному для отримання потужного УЗ у газовому середовищі.

2) Коливання збуджуються перетворенням на механічні коливання струму або напруги. У більшості ультразвукових пристроїв використовуються випромінювачі цієї групи: п'єзоелектричні та магнітострикційні перетворювачі.

Крім перетворювачів, заснованих на п'єзоефект, для отримання потужного ультразвукового пучка використовуються магнітострикційні перетворювачі. Магнітострикція - це зміна розмірів тіл за зміни їх магнітного стану. Сердечник з магнітострикційного матеріалу, поміщений в обмотку, що проводить, змінює свою довжину відповідно до форми струмового сигналу, що проходить по обмотці. Це явище, відкрите 1842 р. Джеймсом Джоулем, властиве феромагнетикам і феритам. Найбільш уживані магнітострикційні матеріали це сплави на основі нікелю, кобальту, заліза та алюмінію. Найбільшою інтенсивністю ультразвукового випромінювання дозволяє досягти сплав пермендюр (49%Co, 2%V, решта Fe), який використовується у потужних УЗ-випромінювачах. Зокрема, що випускаються нашим підприємством.

Застосування ультразвуку.

Різноманітні застосування ультразвуку можна умовно поділити на три напрямки:

• отримання інформації про речовину
• вплив на речовину
• обробка та передача сигналів

Залежність швидкості розповсюдження та згасання акустичних хвиль від властивостей речовини та процесів, що в них відбуваються, використовується в таких дослідженнях:

• вивчення молекулярних процесів у газах, рідинах та полімерах
• вивчення будови кристалів та інших твердих тіл
• контроль протікання хімічних реакцій, фазових переходів, полімеризації та ін.
• визначення концентрації розчинів
• визначення міцнісних характеристик та складу матеріалів
• визначення наявності домішок
• визначення швидкості перебігу рідини та газу

Інформацію про молекулярну структуру речовини дає вимір швидкості та коефіцієнта поглинання звуку у ньому. Це дозволяє вимірювати концентрацію розчинів і суспензії в пульпах і рідинах, контролювати хід екстрагування, полімеризації, старіння, кінетику хімічних реакцій. Точність визначення складу речовин та наявності домішок ультразвуком дуже висока і становить частки відсотка.

Вимірювання швидкості звуку в твердих тілах дозволяє визначати пружні та міцнісні характеристики конструкційних матеріалів. Такий непрямий метод визначення міцності зручний простотою та можливістю використання в реальних умовах.

Ультразвукові газоаналізатори здійснюють стеження за процесами накопичення небезпечних домішок. Залежність швидкості УЗ від температури використовується для безконтактної термометрії газів та рідин.

На вимірі швидкості звуку в рідинах і газах, що рухаються, у тому числі неоднорідних (емульсії, суспензії, пульпи), засновані ультразвукові витратоміри, що працюють на ефекті Допплера. Аналогічна апаратура використовується для визначення швидкості та витрати потоку крові в клінічних дослідженнях.

Велика група методів вимірювання заснована на відображенні та розсіювання хвиль ультразвуку на кордонах між середовищами. Ці методи дозволяють точно визначати місцезнаходження сторонніх для середовища тіл і використовуються в таких сферах як:

• гідролокація
• неруйнівний контроль та дефектоскопія
• медична діагностика
• визначення рівнів рідин та сипких тіл у закритих ємностях
• визначення розмірів виробів
• візуалізація звукових полів - звукобачення та акустична голографія

Відображення, заломлення та можливість фокусування ультразвуку використовується в ультразвуковій дефектоскопії, в ультразвукових акустичних мікроскопах, у медичній діагностиці, для вивчення макронеоднорідностей речовини. Наявність неоднорідностей та його координати визначаються за відбитими сигналами чи структурою тіні.

Методи вимірювання, засновані на залежності параметрів резонансної коливальної системи від властивостей навколишнього середовища (імпеданс), застосовуються для безперервного вимірювання в'язкості та щільності рідин, для вимірювання товщини деталей, доступ до яких можливий лише з одного боку. Цей принцип лежить в основі УЗ твердомірів, рівнемірів, сигналізаторів рівня. Переваги УЗ методів контролю: малий час вимірювань, можливість контролю вибухонебезпечних, агресивних та токсичних середовищ, відсутність впливу інструменту на контрольоване середовище та процеси.

Вплив ультразвуку на речовину.

Вплив ультразвуку на речовину, що призводить до незворотних змін, широко використовується в промисловості. При цьому механізми впливу ультразвуку різні для різних середовищ. У газах основним фактором, що діє, є акустичні течії, що прискорюють процеси тепломасообміну. Причому ефективність УЗ перемішування значно вища за звичайний гідродинамічний, т.к. прикордонний шар має меншу товщину і, як наслідок, більший градієнт температури або концентрації. Цей ефект використовується в таких процесах, як:

• ультразвукове сушіння
• горіння в ультразвуковому полі
• коагуляція аерозолів

В ультразвуковій обробці рідин основним чинним фактором є кавітація . На ефекті кавітації засновані такі технологічні процеси:

• ультразвукове очищення
• металізація та паяння
• звукокапілярний ефект - проникнення рідин у дрібні пори та тріщини. Застосовується для просочення пористих матеріалів і має місце при будь-якій ультразвуковій обробці твердих тіл у рідинах.
• кристалізація
• інтенсифікація електрохімічних процесів
• отримання аерозолів
• знищення мікроорганізмів та ультразвукова стерилізація інструментів

Акустичні течії- один із основних механізмів впливу ультразвуку на речовину. Він обумовлений поглинанням ультразвукової енергії в речовині та прикордонному шарі. Акустичні потоки відрізняються від гідродинамічних малою товщиною прикордонного шару та можливістю його потонання зі збільшенням частоти коливань. Це призводить до зменшення товщини температурного або концентраційного прикордонного шару та збільшення градієнтів температури або концентрації, що визначають швидкість перенесення тепла або маси. Це сприяє прискоренню процесів горіння, сушіння, перемішування, перегонки, дифузії, екстракції, просочення, сорбції, кристалізації, розчинення, дегазації рідин та розплавів. У потоці з високою енергією вплив акустичної хвилі здійснюється рахунок енергії самого потоку, шляхом зміни його турбулентності. І тут акустична енергія може становити лише частки відсотків енергії потоку.

При проходженні через рідину звукової хвилі великої інтенсивності виникає так звана акустична кавітація . В інтенсивній звуковій хвилі під час напівперіодів розрідження виникають бульбашки кавітації, які різко схлопуються при переході в область підвищеного тиску. У кавітаційній області виникають потужні гідродинамічні збурення у вигляді мікроударних хвиль та мікропотоків. Крім того, хлопування бульбашок супроводжується сильним локальним розігрівом речовини та виділенням газу. Така дія призводить до руйнування навіть таких міцних речовин, як сталь та кварц. Цей ефект використовується для диспергування твердих тіл, отримання дрібнодисперсних емульсій рідин, що змішуються, збудження і прискорення хімічних реакцій, знищення мікроорганізмів, екстрагування з тварин і рослинних клітин ферментів. Кавітація визначає також такі ефекти як слабке світіння рідини під дією ультразвуку. звуколюмінесценція і аномально глибоке проникнення рідини в капіляри. звукокапілярний ефект .

Кавітаційне диспергування кристалів карбонату кальцію (накипу) лежить в основі акустичних протинакипних пристроїв. Під впливом ультразвуку відбувається розколювання частинок, що у воді, їх середні розміри зменшуються з 10 до 1 мікрона, збільшується їх кількість і загальна площа поверхні частинок. Це призводить до перенесення процесу утворення накипу з теплообмінної поверхні безпосередньо в рідину. Ультразвук так само впливає і на сформований шар накипу, утворюючи в ньому мікротріщини, що сприяють відколюванню шматочків накипу з теплообмінної поверхні.

В установках по ультразвуковій очистці за допомогою кавітації і мікропотоків, що нею породжуються, видаляють забруднення як жорстко пов'язані з поверхнею, типу окалини, накипу, задирок, так і м'які забруднення типу жирних плівок, бруду і т.п. Цей ефект використовується для інтенсифікації електролітичних процесів.

Під впливом ультразвуку виникає такий цікавий ефект, як акустична коагуляція, тобто. зближення та укрупнення зважених частинок у рідині та газі. Фізичний механізм цього явища ще остаточно зрозумілий. Акустична коагуляція застосовується для осадження промислових пилів, димів та туманів при низьких для ультразвуку частотах до 20 кГц. Можливо, що благодійна дія дзвону церковних дзвонів ґрунтується на цьому ефекті.

Механічна обробка твердих тіл із застосуванням ультразвуку заснована на наступних ефектах:

• зменшення тертя між поверхнями при УЗ коливаннях однієї з них
• зниження межі плинності або пластична деформація під дією УЗ
• зміцнення та зниження залишкових напруг у металах під ударною дією інструменту з УЗ частотою
• Комбіноване вплив статичного стиску та ультразвукових коливань використовується в ультразвуковому зварюванні

Розрізняють чотири види мехобробки за допомогою ультразвуку:

• розмірне оброблення деталей з твердих та крихких матеріалів
• різання важкооброблюваних матеріалів з накладенням УЗ на ріжучий інструмент
• зняття задирок в ультразвуковій ванні
• шліфування в'язких матеріалів з ультразвуковим очищенням шліфувального кола

Події ультразвуку на біологічні об'єктивикликає різноманітні ефекти та реакції у тканинах організму, що широко використовується в ультразвуковій терапії та хірургії. Ультразвук є каталізатором, який прискорює встановлення рівноважного, з погляду фізіології стану організму, тобто. здорового стану. УЗ надає на хворі тканини значно більший вплив, ніж здорові. Також використовують ультразвукове розпилення лікарських засобів при інгаляціях. Ультразвукова хірургія заснована на наступних ефектах: руйнування тканин власне сфокусованим ультразвуком та накладання ультразвукових коливань на ріжучий хірургічний інструмент.

Ультразвукові пристрої застосовуються для перетворення та аналогової обробки електронних сигналів та для управління світловими сигналами в оптиці та оптоелектроніці. Мінімальна швидкість ультразвуку використовується в лініях затримки. Управління оптичними сигналами ґрунтується на дифракції світла на ультразвуку. Один із видів такої дифракції - т.зв.брегговська дифракція залежить від довжини хвилі ультразвуку, що дозволяє виділити з широкого спектра світлового випромінювання тонкий інтервал, тобто. здійснювати фільтрацію світла.

Ультразвук надзвичайно цікава річ і можна припустити, що багато можливостей його практичного застосування досі не відомі людству. Ми любимо та знаємо ультразвук і будемо раді обговорити будь-які ідеї, пов'язані з його застосуванням.

Де застосовується ультразвук - зведена таблиця

Наше підприємство, ТОВ «Кільце-енерго», займається виробництвом та монтажем акустичних протинакипних пристроїв «Акустик-Т». Пристрої, що випускаються нашим підприємством, вирізняються виключно високим рівнем ультразвукового сигналу, що дозволяє їм працювати на котлах без водопідготовки та пароводяних бойлерах з артезіанською водою. Але запобігання накипу - дуже мала частина того, що може бути ультразвуком. Цей дивовижний природний інструмент має величезні можливості і ми хочемо розповісти вам про них. Співробітники нашої компанії багато років працювали у провідних російських підприємствах, що займаються акустикою. Ми знаємо про ультразвук дуже багато. І якщо раптом виникне необхідність застосувати ультразвук у вашій технології,

Рис. 2. Акустичний перебіг, що виникає при поширенні ультразвуку частотою 5 МГц у бензолі.

До важливих нелінійних явищ, що виникають при поширенні інтенсивного Ультразвук, відноситься акустична - зростання в ультразвуковому полі бульбашок з наявних субмікроскопічних зародків газу або пари до розмірів в долі мм, які починають пульсувати з частотою Ультразвук і захлопуються в позитивній фазі. При захлопывании бульбашок газу з'являються величезні локальні тиску близько тисяч атмосфер, утворюються сферичні ударні хвилі. Біля пульсуючих бульбашок утворюються акустичні мікропотоки. Явища в кавітаційному полі призводять до ряду як корисних (отримання, очищення забруднених деталей та ін.), і шкідливих (ерозія випромінювачів Ультразвук) явищ. Ультразвук, при яких використовується ультразвукова в технологічних цілях, лежать в області УНЧ. Інтенсивність, що відповідає порогу кавітації, залежить від роду рідини, частоти звуку, температури та інших факторів. У воді на частоті 20 кгц вона становить близько 0,3 Вт/см 2 . На частотах УСЧ в ультразвуковому полі з інтенсивністю від кількох вт/см2 може виникнути фонтанування рідини ( Рис. 3) і розпилення її з дуже дрібнодисперсного туману.

Рис. 3. Фонтан рідини, що утворюється під час падіння ультразвукового пучка зсередини рідини її поверхню (частота ультразвуку 1,5 Мгц, інтенсивність 15 вт/см 2).

Генераціяультразвуку. Для генерування ультразвукових застосовують різноманітні пристрої, які можуть бути розбиті на 2 основні групи - механічні, в яких Ультразвук є механічна потоку газу або електромеханічні, в яких ультразвукова енергія виходить електричної. Механічні випромінювачі Ультразвук - повітряні та рідинні і - відрізняються порівняльною простотою пристрою і не вимагають дорогої електричної енергії високої частоти, ккд їх становить 10-20%. Основний недолік всіх механічних ультразвукових випромінювачів - порівняно широкий спектр випромінюваних частот та нестабільність частоти і, що не дозволяє їх використовувати для контрольно-вимірювальних цілей; вони застосовуються головним чином у промисловій ультразвуковій та частково - як засоби.

Рис. 4. Випромінювання (прийом) поздовжніх хвиль L пластинкою, що коливається по товщині тверде тіло: 1 - кварцова пластинка зрізу Х товщиною l /2, де l - довжина хвилі в кварці; 2 – металеві електроди; 3 - рідина (трансформаторна олія) для здійснення акустичного контакту; 4 – генератор електричних коливань; 5 – тверде тіло.

Прийом та виявлення ультразвуку.Внаслідок оборотності п'єзоефекту він широко застосовується і для прийому ультразвукового поля. Сумежна область та оптики (акустооптика) набула великого розвитку, після появи газових лазерів безперервної дії; розвинулися дослідження з світла на ультразвук та її різним застосуванням.

Застосування ультразвуку.Ультразвук надзвичайно різноманітні. Ультразвук є потужним методом дослідження різних явищ у багатьох галузях фізики. Так, наприклад, ультразвукові методи застосовуються у фізиці твердого тіла та фізиці; виникла ціла нова область фізики - акусто-електроніка, на основі досягнень якої розробляються різні прилади для обробки сигнальної інформації. Ультразвук грає велику роль у вивченні. Поряд з методами молекулярної акустики і газів, в області вивчення твердих тіл с і поглинання a використовуються для визначення модулів і диссипативних характеристик речовини. Набула розвитку квантова, що вивчає взаємодію квантів пружних обурень - - с, та ін і елементарними в твердих тілах. Ультразвук широко застосовується у техніці, і навіть ультразвукові методи дедалі більше проникають в і.

Застосування Ультразвук у техніці. За даними з і a, у багатьох технічних завданнях здійснюється за протіканням того чи іншого процесу (контроль суміші газів, складу різних і т.д.). Використовуючи ультразвук на межі різних середовищ, конструюють ультразвукові прилади для вимірювання розмірів виробів (наприклад, ультразвукові товщиноміри), для визначення рівня рідини у великих, недоступних для прямого вимірювання ємностях. Ультразвук порівняно малої інтенсивності (до ~0,1 вт/см2) широко використовується для цілей неруйнівного контролю виробів з твердих матеріалів (рейок, великих виливків, якісного прокату тощо) (див.). Швидко розвивається напрямок, що отримав назву акустичної емісії, яка полягає в тому, що при додатку механічного до зразка (конструкції) твердого тіла він «потріскує» (подібно до того, як при вигині «потріскує» олов'яний стрижень). Це пояснюється тим, що в зразку виникає рух, які за певних умов (до кінця ще поки що не з'ясованих) стають (так само, як і сукупність дислокацій та субмікроскопічних тріщин) акустичних імпульсів зі спектром, що містить частоти Ультразвук За допомогою акустичної емісії вдається виявити і розвиток тріщини, а також визначити її місцезнаходження у відповідальних деталях різних конструкцій. За допомогою ультразвуку здійснюється: перетворюючи ультразвукові в електричні, а останні - у світлові, виявляється можливим за допомогою ультразвуку бачити ті чи інші предмети в непрозорому для світла середовищі. На частотах УЗВЧ створено ультразвуковий мікроскоп - прилад, аналогічний звичайному мікроскопу, перевага якого перед оптичним полягає і в тому, що при біологічних дослідженнях не потрібно попереднього фарбування предмета. Рис. 5). Розвиток призвело до певних успіхів у галузі ультразвукової.

Рис. 5б. Червоні кров'яні тільця отримані ультразвуковим мікроскопом.