XXI wiek to wiek elektroniki radiowej, atomu, eksploracji kosmosu i ultradźwięków. Nauka o ultradźwiękach jest dziś stosunkowo młoda. Pod koniec XIX wieku pierwsze badania przeprowadził rosyjski fizjolog PN Lebiediew. Następnie wielu wybitnych naukowców zaczęło studiować ultradźwięki.
Co to jest USG?
Ultradźwięki to rozchodzący się falisty ruch oscylacyjny, który wykonują cząsteczki medium. Ma swoją charakterystykę, w której różni się od dźwięków z zakresu słyszalnego. Stosunkowo łatwo jest uzyskać ukierunkowane promieniowanie w zakresie ultradźwiękowym. Ponadto dobrze się skupia, przez co intensywność wykonywanych oscylacji wzrasta. Rozchodzące się w ciałach stałych, cieczach i gazach ultradźwięki powodują powstawanie interesujących zjawisk, które znalazły praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki i nauki. Na tym polega ultradźwięk, którego rola w różnych sferach życia jest dziś bardzo duża.
Rola ultradźwięków w nauce i praktyce
Ultradźwięki w ostatnich latach zaczęły odgrywać rolę w badaniach naukowychcoraz ważniejszą rolę. Przeprowadzono z powodzeniem badania eksperymentalne i teoretyczne w zakresie przepływów akustycznych i kawitacji ultradźwiękowej, co pozwoliło naukowcom na opracowanie procesów technologicznych zachodzących pod wpływem ultradźwięków w fazie ciekłej. Jest to potężna metoda badania różnych zjawisk z dziedziny wiedzy, jaką jest fizyka. Ultradźwięki są wykorzystywane na przykład w fizyce półprzewodników i ciała stałego. Obecnie powstaje osobna gałąź chemii, zwana „chemią ultradźwiękową”. Jego zastosowanie pozwala na przyspieszenie wielu procesów chemiczno-technologicznych. Narodziła się również akustyka molekularna - nowa gałąź akustyki, która bada molekularne oddziaływanie fal dźwiękowych z materią. Pojawiły się nowe obszary zastosowań ultradźwięków: holografia, introskopia, akustoelektronika, ultradźwiękowy pomiar fazy, akustyka kwantowa.
Poza pracami eksperymentalnymi i teoretycznymi w tej dziedzinie wykonano dziś wiele prac praktycznych. Opracowano specjalne i uniwersalne maszyny ultradźwiękowe, instalacje pracujące pod zwiększonym ciśnieniem statycznym itp. Do produkcji wprowadzono automatyczne instalacje ultradźwiękowe wchodzące w skład linii produkcyjnych, które mogą znacząco zwiększyć wydajność pracy.
Więcej o USG
Porozmawiajmy więcej o USG. Powiedzieliśmy już, że są to fale sprężyste i oscylacje. Częstotliwość ultradźwięków przekracza 15-20 kHz. Subiektywne właściwości naszego słuchu określają dolną granicę częstotliwości ultradźwiękowych, któraoddziela go od częstotliwości słyszalnego dźwięku. Ta granica jest zatem warunkowa i każdy z nas inaczej definiuje, czym jest ultradźwięk. Na górną granicę wskazują fale sprężyste, ich fizyczna natura. Propagują się tylko w ośrodku materialnym, to znaczy długość fali musi być znacznie większa niż średnia droga swobodna cząsteczek obecnych w gazie lub odległości międzyatomowe w ciałach stałych i cieczach. Przy normalnym ciśnieniu w gazach górna granica częstotliwości ultradźwiękowych wynosi 109 Hz, a w ciałach stałych i płynach - 1012-10 13 Hz.
Źródła ultradźwiękowe
Ultradźwięki występują w przyrodzie zarówno jako składnik wielu naturalnych dźwięków (wodospad, wiatr, deszcz, kamyki toczone przez fale, jak również w dźwiękach towarzyszących burzom itp.), a także jako integralna część świat zwierząt. Niektóre gatunki zwierząt używają go do orientacji w przestrzeni, wykrywania przeszkód. Wiadomo też, że delfiny w przyrodzie wykorzystują ultradźwięki (głównie częstotliwości od 80 do 100 kHz). W takim przypadku moc emitowanych przez nie sygnałów lokalizacyjnych może być bardzo duża. Wiadomo, że delfiny są w stanie wykryć ławice ryb w odległości do kilometra.
Emitery (źródła) ultradźwięków są podzielone na 2 duże grupy. Pierwszy to generatory, w których oscylacje są wzbudzane z powodu obecności w nich przeszkód zainstalowanych na ścieżce stałego przepływu - strumienia cieczy lub gazu. Druga grupa, w którą można łączyć źródła ultradźwięków, to:przetworniki elektroakustyczne, które przekształcają dane fluktuacje prądu lub napięcia elektrycznego w wibracje mechaniczne wytwarzane przez ciało stałe, które emituje fale akustyczne do otoczenia.
Odbiorniki ultradźwiękowe
Przy średnich i niskich częstotliwościach odbiorniki ultradźwiękowe są najczęściej przetwornikami elektroakustycznymi typu piezoelektrycznego. Mogą odtwarzać formę odbieranego sygnału akustycznego, reprezentowaną jako zależność ciśnienia akustycznego od czasu. Urządzenia mogą być szerokopasmowe lub rezonansowe, w zależności od warunków zastosowania, do których są przeznaczone. Odbiorniki termiczne służą do uzyskiwania uśrednionych w czasie charakterystyk pola akustycznego. Są to termistory lub termopary pokryte substancją dźwiękochłonną. Ciśnienie i natężenie dźwięku można również oszacować metodami optycznymi, takimi jak dyfrakcja światła za pomocą ultradźwięków.
Gdzie stosuje się ultradźwięki?
Istnieje wiele obszarów jego zastosowania, podczas gdy wykorzystuje się różne właściwości ultradźwięków. Obszary te można z grubsza podzielić na trzy obszary. Pierwsza z nich związana jest z pozyskiwaniem różnych informacji za pomocą fal ultradźwiękowych. Drugim kierunkiem jest jego aktywny wpływ na substancję. A trzeci związany jest z transmisją i przetwarzaniem sygnałów. W każdym przypadku stosuje się US o określonym zakresie częstotliwości. Omówimy tylko kilka z wielu obszarów, w których się znalazł.
Czyszczenie ultradźwiękowe
Jakości tego czyszczenia nie można porównać z innymi metodami. Na przykład podczas płukania części do 80% zanieczyszczeń pozostaje na ich powierzchni, około 55% - przy czyszczeniu wibracyjnym, około 20% - przy czyszczeniu ręcznym, a przy czyszczeniu ultradźwiękowym pozostaje nie więcej niż 0,5% zanieczyszczeń. Detale o złożonym kształcie można dobrze wyczyścić tylko za pomocą ultradźwięków. Niewątpliwą zaletą jego stosowania jest wysoka wydajność, a także niskie koszty pracy fizycznej. Ponadto można zastąpić drogie i łatwopalne rozpuszczalniki organiczne tanimi i bezpiecznymi roztworami wodnymi, zastosować freon w płynie itp.
Poważnym problemem jest zanieczyszczenie powietrza sadzą, dymem, kurzem, tlenkami metali itp. Można zastosować ultradźwiękową metodę oczyszczania powietrza i gazu w wylotach gazu, niezależnie od wilgotności i temperatury otoczenia. Jeśli emiter ultradźwiękowy zostanie umieszczony w osadniku, jego wydajność wzrośnie setki razy. Jaka jest istota takiego oczyszczenia? Cząsteczki kurzu poruszające się losowo w powietrzu uderzają o siebie mocniej i częściej pod wpływem drgań ultradźwiękowych. Jednocześnie ich rozmiar wzrasta ze względu na fakt, że się łączą. Koagulacja to proces powiększania się cząstek. Specjalne filtry wyłapują ich ważone i powiększone skupiska.
Obróbka kruchych i super twardych materiałów
Jeśli wejdziesz między obrabiany przedmiot a powierzchnię roboczą narzędzia za pomocą ultradźwięków, materiału ściernego, a następnie cząstek ściernych podczas pracyemiter wpłynie na powierzchnię tej części. W tym przypadku materiał jest niszczony i usuwany, poddawany obróbce pod działaniem różnych ukierunkowanych mikrouderzeń. Na kinematykę obróbki składa się ruch główny – skrawający, czyli wzdłużne drgania wykonywane przez narzędzie oraz pomocniczy – ruch posuwowy, który wykonuje maszyna.
Ultradźwięki mogą wykonywać różne prace. Dla ziaren ściernych źródłem energii są drgania wzdłużne. Niszczą przetworzony materiał. Ruch posuwu (pomocniczy) może być kołowy, poprzeczny i wzdłużny. Obróbka ultradźwiękowa jest bardziej precyzyjna. W zależności od wielkości ziarna ścierniwa waha się od 50 do 1 mikrona. Za pomocą narzędzi o różnych kształtach można wykonywać nie tylko otwory, ale także skomplikowane cięcia, zakrzywione osie, grawerować, szlifować, wykonywać matryce, a nawet wiercić diament. Materiały stosowane jako ścierniwo - korund, diament, piasek kwarcowy, krzemień.
Ultradźwięki w radioelektronice
Ultradźwięki w technologii są często wykorzystywane w dziedzinie elektroniki radiowej. W tym obszarze często zachodzi konieczność opóźnienia sygnału elektrycznego względem innego. Naukowcy znaleźli dobre rozwiązanie, sugerując użycie ultradźwiękowych linii opóźniających (w skrócie LZ). Ich działanie polega na tym, że impulsy elektryczne zamieniane są na ultradźwiękowe drgania mechaniczne. Jak to się stało? Faktem jest, że prędkość ultradźwięków jest znacznie mniejsza niż prędkość wywoływana przez oscylacje elektromagnetyczne. Pulsnapięcie po odwrotnej transformacji na elektryczne drgania mechaniczne będzie opóźnione na wyjściu linii w stosunku do impulsu wejściowego.
Przetworniki piezoelektryczne i magnetostrykcyjne służą do przekształcania drgań elektrycznych w mechaniczne i odwrotnie. LZ, odpowiednio, są podzielone na piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.
Ultradźwięki w medycynie
Różne rodzaje ultradźwięków są wykorzystywane do oddziaływania na żywe organizmy. W praktyce medycznej jego stosowanie jest obecnie bardzo popularne. Opiera się na efektach zachodzących w tkankach biologicznych, gdy przechodzą przez nie ultradźwięki. Fale powodują fluktuacje cząsteczek medium, co tworzy rodzaj mikromasażu tkanek. A absorpcja ultradźwięków prowadzi do ich lokalnego ogrzewania. Jednocześnie w ośrodkach biologicznych zachodzą pewne przemiany fizykochemiczne. Zjawiska te nie powodują nieodwracalnych uszkodzeń w przypadku umiarkowanego natężenia dźwięku. Poprawiają jedynie metabolizm, a tym samym przyczyniają się do życiowej aktywności narażonego na nie organizmu. Takie zjawiska są wykorzystywane w terapii ultradźwiękowej.
USG w chirurgii
Kawitacja i silne ogrzewanie o dużej intensywności prowadzą do zniszczenia tkanki. Ten efekt jest dziś wykorzystywany w chirurgii. Skupione ultradźwięki wykorzystywane są do operacji chirurgicznych, co pozwala na miejscową destrukcję w najgłębszych strukturach (np. mózgu), bez uszkadzania otaczających. Ultradźwięki są również wykorzystywane w chirurgiinarzędzia, w których końcówka robocza wygląda jak pilnik, skalpel, igła. Narzucane im wibracje nadają tym instrumentom nowe właściwości. Wymagana siła jest znacznie zmniejszona, dlatego traumatyzm operacji jest zmniejszony. Ponadto objawia się działanie przeciwbólowe i hemostatyczne. Uderzenie tępym narzędziem za pomocą ultradźwięków służy do niszczenia niektórych rodzajów nowotworów, które pojawiły się w ciele.
Oddziaływanie na tkanki biologiczne ma na celu zniszczenie mikroorganizmów i jest wykorzystywane w procesach sterylizacji leków i instrumentów medycznych.
Badania narządów wewnętrznych
Głównie mówimy o badaniu jamy brzusznej. W tym celu używana jest specjalna aparatura. Ultradźwięki mogą być używane do znajdowania i rozpoznawania różnych anomalii tkankowych i anatomicznych. Wyzwanie jest często następujące: podejrzewa się nowotwór złośliwy i należy go odróżnić od łagodnej lub zakaźnej zmiany.
Ultradźwięki są przydatne w badaniu wątroby i innych zadaniach, które obejmują wykrywanie niedrożności i chorób dróg żółciowych, a także badanie pęcherzyka żółciowego w celu wykrycia obecności w nim kamieni i innych patologii. Ponadto można zastosować badanie pod kątem marskości wątroby i innych rozlanych łagodnych chorób wątroby.
W dziedzinie ginekologii, głównie w analizie jajników i macicy, stosowanie ultradźwięków to długi czasgłówny kierunek, w którym jest realizowany szczególnie pomyślnie. Często potrzebne jest tu również zróżnicowanie łagodnych i złośliwych formacji, co zwykle wymaga najlepszego kontrastu i rozdzielczości przestrzennej. Podobne wnioski mogą być przydatne w badaniu wielu innych narządów wewnętrznych.
Zastosowanie ultradźwięków w stomatologii
Ultradźwięki znalazły również drogę do stomatologii, gdzie są używane do usuwania kamienia nazębnego. Pozwala szybko, bezkrwawo i bezboleśnie usunąć płytkę nazębną i kamień. Jednocześnie błona śluzowa jamy ustnej nie jest uszkodzona, a „kieszenie” jamy są dezynfekowane. Zamiast bólu pacjent odczuwa uczucie ciepła.
