Што такое ультрагук? Прымяненне ультрагук ў тэхніцы і медыцыне

21-е стагоддзе - стагоддзе радыёэлектронікі, атама, заваявання космасу і ультрагуку. Параўнальна маладая ў нашы дні навука аб ультрагук. У канцы 19 стагоддзя П. Н. Лебедзеў, рускі навуковец-фізіёлаг, правёў першыя яго даследавання. Пасля гэтага ультрагукам пачалі займацца многія выбітныя навукоўцы.

Што такое ультрагук?

Ультрагук - гэта якое распаўсюджваецца хвалепадобна вагальны рух, якое здзяйсняюць часціцы асяроддзя. Ён мае свае асаблівасці, па якіх адрозніваецца ад гукаў чутнага дыяпазону. Параўнальна лёгка ў ўльтрагукавым дыяпазоне атрымаць накіраванае выпраменьванне. Да таго ж ён добра факусуюць, і ў выніку гэтага павышаецца інтэнсіўнасць здзяйсняюцца ваганняў. Пры распаўсюдзе ў цвёрдых целах, вадкасцях і газах ультрагук нараджае цікавыя з'явы, якія знайшлі практычнае прымяненне ў многіх галінах тэхнікі і навукі. Вось што такое ультрагук, роля якога ў розных сферах жыцця сёння вельмі вялікая.

Ролю ультрагук ў навуцы і практыцы

Ультразвук ў апошнія гады стаў гуляць у навуковых даследаваннях ўсё большую ролю. Былі паспяхова праведзены эксперыментальныя і тэарэтычныя пошукі ў галіне акустычных плыняў і ультрагукавой кавітацыі, што дазволіла навукоўцам распрацаваць тэхналагічныя працэсы, якія працякаюць пры ўздзеянні ў вадкай фазе ультрагуку. Ён з'яўляецца магутным метадам даследавання разнастайных з'яў і ў такой галіне веды, як фізіка. Ультрагук прымяняецца, напрыклад, у фізіцы паўправаднікоў і цвёрдага цела. Сёння фармуецца асобнае напрамак хіміі, якая атрымала назву "ультрагукавая хімія". Яе прымяненне дазваляе паскорыць мноства хіміка-тэхналагічных працэсаў. Зарадзілася таксама малекулярная акустыка - новы раздзел акустыкі, які вывучае малекулярнае ўзаемадзеянне з рэчывам гукавых хваль. З'явіліся новыя сферы ўжывання ультрагуку: галаграфія, інтраскапіі, акустоэлектроника, ультрагукавая фазомерия, квантавая акустыка.

Акрамя эксперыментальных і тэарэтычных работ у гэтай галіне, сёння было выканана мноства практычных. Распрацаваны спецыяльныя і ўніверсальныя ультрагукавыя станкі, ўстаноўкі, якія працуюць пад падвышаным статычным ціскам і інш. Укаранёны ў вытворчасць ультрагукавыя аўтаматычныя ўстаноўкі, уключаныя ў струменевыя лініі, што дазваляе істотна павысіць прадукцыйнасць працы.

Больш падрабязна аб ультрагук

Раскажам падрабязней аб тым, што такое ультрагук. Мы ўжо казалі пра тое, што гэта пругкія хвалі і ваганні. Частата ультрагуку складае больш за 15-20 кГц. Суб'ектыўнымі ўласцівасцямі нашага слыху вызначаецца ніжняя мяжа ультрагукавых частот, якая аддзяляе яе ад частоты чутнага гуку. Гэтая мяжа, такім чынам, з'яўляецца ўмоўнай, і кожны з нас па-рознаму вызначае, што такое ультрагук. Верхняя мяжа пазначаная пругкімі хвалямі, іх фізічнай прыродай. Яны распаўсюджваюцца толькі ў матэрыяльнай асяроддзі, то ёсць даўжыня хвалі павінна быць істотна больш, чым даўжыня вольнага прабегу наяўных у газе малекул ці ж межатомных адлегласцяў ў цвёрдых целах і вадкасцях. Пры нармальным ціску ў газах верхняя мяжа частот УАЗ - 10 ⁹ Гц, а цвёрдых целах і вадкасцях - 10 ¹² -10 ¹³ Гц.

крыніцы ультрагуку

Ультразвук ў прыродзе сустракаецца і як кампанент мноства натуральных шумоў (вадаспаду, ветру, дажджу, галькі, перакочваць прыбоем, а таксама ў суправаджаюць разрады навальніцы гуках і т. Д.), І як неад'емная частка жывёльнага свету. Ім некаторыя віды жывёл карыстаюцца для арыентоўкі ў прасторы, выяўлення перашкод. Вядома, акрамя таго, што ультрагук ў прыродзе выкарыстоўваюць дэльфіны (у асноўным частоты ад 80 да 100 кГц). Вельмі вялікі пры гэтым можа быць магутнасць выпраменьваных імі лакацыйных сігналаў. Вядома, што дэльфіны здольныя выяўляць вушакі рыб, якія знаходзяцца на адлегласці да кіламетру ад іх.

Выпраменьвальнікі (крыніцы) ультрагуку дзеляцца на 2 вялікія групы. Першая - гэта генератары, у якіх ваганні узбуджаюцца з-за наяўнасці ў іх перашкод, усталяваных на шляху руху пастаяннага патоку - бруі вадкасці або газу. Другая група, у якую можна аб'яднаць крыніцы ультрагуку, - электраакустычны пераўтваральнікі, якія ператвараюць зададзеныя ваганні току або электрычнага напружання ў механічнае ваганне, якое здзяйсняецца цвёрдым целам, выпраменьвальнае акустычныя хвалі ў навакольнае асяроддзе.

прыёмнікі ультрагуку

На сярэдніх і нізкіх частотах прымачамі ультрагуку выступаюць часцей за ўсё п'езаэлектрычнага тыпу электраакустычны пераўтваральнікі. Яны могуць прайграваць форму атрыманага акустычнага сігналу, прадстаўленую як часовая залежнасць гукавога ціску. Прыборы могуць быць альбо шырокапалоснымі, альбо рэзананснымі - у залежнасці ад таго, для якіх умоваў прымянення яны прызначаны. Тэрмічныя прымачы выкарыстоўваюць для атрымання характарыстык гукавога поля, асераднёных па часе. Яны ўяўляюць сабой пакрытыя гукапаглынальным рэчывам термисторы або тэрмапары. Гукавое ціск і інтэнсіўнасць можна ацэньваць таксама аптычнымі метадамі, такімі як дыфракцыя святла на УЗ.

Дзе ўжываецца ультрагук?

Існуе мноства сфер яго прымянення, пры гэтым выкарыстоўваюцца розныя асаблівасці ультрагуку. Гэтыя сферы можна разбіць ўмоўна на тры напрамкі. Першае з іх звязана з атрыманнем пасродкам УАЗ-хваляў рознай інфармацыі. Другі напрамак - актыўнае ўздзеянне яго на рэчыва. А трэцяе звязана з перадачай і апрацоўкай сігналаў. УЗ пэўнага дыяпазону частот выкарыстоўваецца ў кожным канкрэтным выпадку. Мы раскажам толькі аб некаторых з мноства абласцей, у якіх ён знайшоў сваё прымяненне.

Ачыстка з дапамогай ультрагуку

Якасць такой ачысткі нельга параўнаць з іншымі спосабамі. Пры паласкання дэталяў, да прыкладу, на паверхні іх захоўваецца да 80% забруджванняў, каля 55% - пры вібрацыйнай ачыстцы, каля 20% - пры ручной, а пры ультрагукавой застаецца не больш за 0,5% забруджванняў. Дэталі, якія маюць складаную форму, магчыма добра ачысціць толькі з дапамогай ультрагуку. Важнай перавагай яго выкарыстання з'яўляецца высокая прадукцыйнасць, а таксама малыя выдаткі фізічнай працы. Больш за тое, можна замяніць дарагія і вогненебяспечныя арганічныя растваральнікі таннымі і бяспечнымі воднымі растворамі, ўжываць вадкі фрэон і інш.

Сур'ёзная праблема - забруджванне паветра сажай, дымам, пылам, вокісламі металаў і т. Д. Можна выкарыстоўваць ультрагукавой спосаб ачысткі паветра і газу ў газоотводах незалежна ад вільготнасці асяроддзя і тэмпературы. Калі УАЗ-выпраменьвальнік змясціць у пылеосадочную камеру, у сотні разоў павялічыцца эфектыўнасць яе дзеяння. У чым жа заключаецца сутнасць такой ачысткі? Бязладна рухаюцца ў паветры парушынкі мацней і часцей ўдараюцца адзін аб аднаго пад дзеяннем ультрагукавых ваганняў. Пры гэтым памер іх павялічваецца за кошт таго, што яны зліваюцца. Каагуляцыі называецца працэс узбуйнення часціц. Адмысловымі фільтрамі улоўліваюцца уцяжараны і ўзбуйненыя іх навалы.

Механічная апрацоўка далікатных і звышцвёрдых матэрыялаў

Калі ўвесці паміж апрацоўванай дэталлю і працоўнай паверхняй інструмента, які выкарыстоўвае ультрагук, абразіўны матэрыял, то часціцы абразіва пры працы выпраменьвальніка стануць ўздзейнічаць на паверхню гэтай дэталі. Пры гэтым руйнуецца матэрыял і выдаляецца, падвяргаючыся апрацоўцы пад дзеяннем мноства накіраваных микроударов. Кінематыка апрацоўкі складаецца з асноўнага руху - рэзання, гэта значыць якія здзяйсняюцца інструментам падоўжных ваганняў, і дапаможнага - руху падачы, якія ажыццяўляе апарат.

Ультрагук можа праробліваць розныя работы. Для абразіўных зерняў крыніцай энергіі з'яўляюцца падоўжныя ваганні. Яны і руйнуюць апрацоўваны матэрыял. Рух падачы (дапаможнай) можа быць кругавым, папярочным і падоўжным. Апрацоўка з дапамогай ультрагуку мае вялікую дакладнасць. У залежнасці ад таго, якую зярністасць мае абразіў, яна складае ад 50 да 1 мк. Выкарыстоўваючы інструменты рознай формы, можна рабіць не толькі адтуліны, але таксама і складаныя выразы, крывалінейныя восі, гравіраваных, шліфаваць, вырабляць матрыцы і нават свідраваць алмаз. Выкарыстоўваюцца як абразіў матэрыялы - корунд, алмаз, кварцавы пясок, крэмень.

Ультразвук ў радыёэлектроніцы

Ультразвук ў тэхніцы часта выкарыстоўваецца ў галіне радыёэлектронікі. У гэтай сферы часта з'яўляецца неабходнасць затрымаць электрычны сігнал адносна нейкага іншага. Навукоўцы знайшлі ўдалае рашэнне, прапанаваўшы выкарыстоўваць ультрагукавыя лініі затрымкі (скарочана - ЛЗ). Іх дзеянне заснавана на тым, што электрычныя імпульсы пераўтворацца ў ультрагукавыя механічныя ваганні. Як жа гэта адбываецца? Справа ў тым, што хуткасць ультрагуку істотна менш, чым тая, якую развіваюць электрамагнітныя ваганні. Імпульс напружання пасля зваротнага пераўтварэнні ў электрычныя механічных ваганняў будзе затрыманы на выхадзе лініі адносна імпульсу уваходнага.

П'езаэлектрычныя і магнитострикционные пераўтваральнікі выкарыстоўваюць для пераўтварэння ваганняў электрычных ў механічныя і назад. ЛЗ адпаведна гэтаму дзеляцца на п'езаэлектрычныя і магнитострикционные.

Ультразвук ў медыцыне

Розныя віды ультрагуку прымяняюцца для ўздзеяння на жывыя арганізмы. У медыцынскай практыцы яго выкарыстанне цяпер вельмі папулярна. Яно грунтуецца на эфектах, якія ўзнікаюць у біялагічных тканінах тады, калі праз іх праходзіць ультрагук. Хвалі выклікаюць ваганні часціц асяроддзя, што стварае своеасаблівы микромассаж тканін. А паглынанне ультрагуку вядзе да іх лакальнаму награвання. Разам з тым у біялагічных асяроддзях адбываюцца пэўныя фізіка-хімічныя ператварэння. Гэтыя з'явы ў выпадку ўмеранай інтэнсіўнасці гуку незваротных пашкоджанняў не выклікаюць. Яны толькі паляпшаюць абмен рэчываў, а значыць і спрыяюць жыццядзейнасці схільнага ім арганізма. Такія з'явы прымяняюцца ў УАЗ-вой тэрапіі.

Ультразвук ў хірургіі

Кавітацыя і моцнае награванне пры вялікай інтэнсіўнасці прыводзяць да разбурэння тканін. Дадзены эфект прымяняецца сёння ў хірургіі. Фокусная ультрагук выкарыстоўваюць для хірургічных аперацый, што дазваляе ажыццяўляць лакальныя разбурэнні ў самых глыбінных структурах (да прыкладу, мозгу), не пашкоджваючы пры гэтым навакольныя. У хірургіі таксама выкарыстоўваюцца ультрагукавыя прылады, у якіх працоўны канец мае выгляд пілкі, скальпеля, іголкі. Ваганні, што накладаюцца на іх, надаюць новыя якасці гэтым прыборам. Патрабаванае высілак значна зніжаецца, такім чынам, памяншаецца траўматызм аперацыі. Да таго ж праяўляецца абязбольвальны і кроваспыняльны эфект. Ўздзеянне тупым інструментам з ужываннем ультрагуку выкарыстоўваецца для разбурэння якія з'явіліся ў арганізме некаторых відаў наватвораў.

Ўздзеянне на біялагічныя тканіны ажыццяўляецца для разбурэння мікраарганізмаў і выкарыстоўваецца ў працэсах стэрылізацыі лекавых сродкаў і медыцынскіх інструментаў.

Даследаванне ўнутраных органаў

У асноўным гаворка ідзе аб даследаванні брушнай паражніны. Для гэтай мэты выкарыстоўваецца спецыяльны апарат. Ультрагук можа прымяняцца для знаходжання і распазнанні розных анамалій тканін і анатамічных структур. Задача часцяком такая: існуе падазрэнне на наяўнасць злаякаснага адукацыі і патрабуецца адрозніць яго ад адукацыі дабраякаснага або інфекцыйнага.

Ультразвук карысны пры даследаванні печані і для вырашэння іншых задач, да якіх адносіцца выяўленне непраходнасці і захворванняў жоўцевых параток, а таксама даследаванне жоўцевай бурбалкі для выяўлення наяўнасці ў ім камянёў і іншых паталогій. Акрамя таго, можа прымяняцца даследаванне цырозу і іншых дыфузных дабраякасных захворванняў печані.

У вобласці гінекалогіі, галоўным чынам пры аналізе яечнікаў і маткі, прымяненне ультрагуку з'яўляецца на працягу доўгага часу галоўным кірункам, у якім яно ажыццяўляецца асабліва паспяхова. Часцяком тут таксама патрэбна дыферэнцыяцыя дабраякасных і злаякасных утварэнняў, што патрабуе звычайна найлепшага кантраснага і прасторавага дазволу. Падобныя заключэння могуць быць карысныя і пры даследаванні мноства іншых унутраных органаў.

Прымяненне ультрагук ў стаматалогіі

Ультразвук таксама знайшоў сваё прымяненне і ў стаматалогіі, дзе ён выкарыстоўваецца для выдалення зубнога каменя. Ён дазваляе хутка, бяскроўна і бязбольна зняць налёт і камень. Пры гэтым слізістая паражніну рота не траўмуецца, а "кішэні" паражніны абеззаражваюцца. Замест болю пацыент адчувае адчуванне цеплыні.