Ultrazvuk je názov pre elastické vlny (vlny šíriace sa v kvapalnom, pevnom a plynnom prostredí v dôsledku pôsobenia elastických síl), ktorých frekvencia leží mimo rozsah počuteľný pre človeka – približne 20 kHz a viac.

Užitočné vlastnosti ultrazvukových vĺn

A hoci má ultrazvuk fyzikálne rovnakú povahu ako počuteľný zvuk, líši sa len podmienene (vyššou frekvenciou), práve vďaka vyššej frekvencii je ultrazvuk použiteľný v rade užitočných oblastí. Pri meraní rýchlosti ultrazvuku v pevnej, kvapalnej alebo plynnej látke sa teda pri sledovaní rýchlych procesov, pri určovaní mernej tepelnej kapacity (plynu), pri meraní elastických konštánt tuhých látok, získavajú veľmi nevýznamné chyby.

Vysoká frekvencia pri malých amplitúdach umožňuje dosiahnuť zvýšenú hustotu energetického toku, pretože energia elastickej vlny je úmerná druhej mocnine jej frekvencie. Okrem toho, ultrazvukové vlny, používané správnym spôsobom, umožňujú získať množstvo veľmi špeciálnych akustických efektov a javov.

Jedným z takýchto nezvyčajných javov je akustická kavitácia, ku ktorej dochádza, keď je silná ultrazvuková vlna nasmerovaná do kvapaliny. V kvapaline v oblasti ultrazvuku začnú rásť drobné bublinky pary alebo plynu (submikroskopická veľkosť) na zlomky milimetrov v priemere, pulzujú vo frekvencii vlny a skolabujú vo fáze pretlaku.

Zrútená bublina generuje lokálne vysokotlakový impulz meraný v tisíckach atmosfér a stáva sa zdrojom sférických rázových vĺn. Akustické mikroprúdy vytvorené v blízkosti takýchto pulzujúcich bublín majú užitočné aplikácie na výrobu emulzií, čistiacich dielov atď.

Fokusáciou ultrazvuku sa získavajú zvukové obrazy v akustickej holografii a vo zvukových zobrazovacích systémoch a sústreďujú zvukovú energiu, aby vytvorili smerované žiarenie so špecifikovanými a riadenými smerovými charakteristikami.

Použitím ultrazvukovej vlny ako difrakčnej mriežky pre svetlo je na určité účely možné meniť indexy lomu svetla, pretože hustota v ultrazvukovej vlne, ako v princípe v elastickej vlne, sa periodicky mení.

Nakoniec vlastnosti súvisiace s rýchlosťou šírenia ultrazvuku. V anorganických médiách sa ultrazvuk šíri rýchlosťou závislou od elasticity a hustoty médií.

Čo sa týka organických médií, rýchlosť je ovplyvnená hranicami a ich povahou, to znamená, že fázová rýchlosť závisí od frekvencie (disperzie). Ultrazvuk sa tlmí, keď sa čelo vlny vzďaľuje od zdroja – predná časť sa rozchádza, ultrazvuk sa rozptýli a pohltí.

Vnútorné trenie média (šmyková viskozita) vedie ku klasickej absorpcii ultrazvuku, navyše relaxačná absorpcia pre ultrazvuk prevyšuje klasickú absorpciu. Ultrazvuk je utlmený silnejšie v plynoch a oveľa slabší v pevných látkach a kvapalinách. Napríklad vo vode mizne 1000-krát pomalšie ako vo vzduchu. Priemyselné aplikácie ultrazvuku teda takmer úplne súvisia s pevnými látkami a kvapalinami.

Ultrazvuk v echolokácii a sonaroch (potravinársky, obranný, ťažobný priemysel)

Prvý prototyp sonaru vytvoril ruský inžinier Shilovsky spolu s francúzskym fyzikom Langevinom v roku 1912, aby zabránil zrážkam lodí s ľadovými kryhami a ľadovcami.

Prístroj využíval princíp odrazu a príjmu zvukových vĺn. Signál bol odoslaný do určitého bodu a oneskorením signálu odozvy (echo), poznajúc rýchlosť zvuku, bolo možné posúdiť vzdialenosť k prekážke, ktorá odrážala zvuk.

Shilovsky a Langevin začali hlboko skúmať hydroakustiku a čoskoro vytvorili zariadenie schopné odhaliť nepriateľské ponorky v Stredozemnom mori na vzdialenosť až 2 kilometrov. Všetky moderné sonary, vrátane vojenských, sú potomkami práve tohto zariadenia.

Moderné echoloty na štúdium topografie dna pozostávajú zo štyroch blokov: vysielača, prijímača, prevodníka a obrazovky. Funkciou vysielača je vysielať hlboko do vody ultrazvukové impulzy (50 kHz, 192 kHz alebo 200 kHz), ktoré sa šíria vodou rýchlosťou 1,5 km/s, kde sa odrážajú od rýb, kameňov, iných predmetov a dole, potom sa ozvena dostane do prijímača a spracuje sa prevodníkom a výsledok sa zobrazí na displeji vo forme vhodnej pre zrakové vnímanie.

Ultrazvuk v elektronike a energetike

Mnohé oblasti modernej fyziky sa nezaobídu bez ultrazvuku. Fyzika pevných látok a polovodičov, ako aj akustoelektronika sú v mnohých smeroch úzko spojené s metódami ultrazvukového výskumu – s dopadmi pri frekvenciách 20 kHz a vyšších. Špeciálne miesto tu zaujíma akustoelektronika, kde ultrazvukové vlny interagujú s elektrickými poľami a elektrónmi vo vnútri pevných telies.

Objemové ultrazvukové vlny sa používajú na oneskorovacích linkách a v kremenných rezonátoroch na stabilizáciu frekvencie v moderných elektronických systémoch na spracovanie a prenos informácií. Povrchové akustické vlny zaujímajú osobitné miesto v pásmových filtroch pre televíziu, vo frekvenčných syntetizátoroch, v zariadeniach na prenos náboja akustickou vlnou, v pamäťových a obrazovkových zariadeniach. Napokon, korelátory a konvolvery využívajú vo svojej práci priečny akustickoelektrický efekt.

Rádioelektronika a ultrazvuk

Ultrazvukové oneskorovacie linky sú užitočné na oneskorenie jedného elektrického signálu voči druhému. Elektrický impulz sa premieňa na impulzné mechanické kmitanie ultrazvukovej frekvencie, ktoré sa šíri mnohonásobne pomalšie ako elektromagnetický impulz; mechanické vibrácie sa potom premenia späť na elektrický impulz, čím sa vytvorí signál, ktorý je oneskorený v porovnaní s pôvodne aplikovaným signálom.

Na takúto konverziu sa zvyčajne používajú piezoelektrické alebo magnetostrikčné meniče, preto sa oneskorovacie vedenia nazývajú piezoelektrické alebo magnetostrikčné.

V piezoelektrickom oneskorovacom vedení sa elektrický signál privádza na kremennú dosku (piezoelektrický menič) pevne spojenú s kovovou tyčou.

Na druhý koniec tyče je pripevnený druhý piezoelektrický menič. Vstupný menič prijme signál, vytvorí mechanické vibrácie, ktoré sa šíria pozdĺž tyče, a keď sa vibrácie dostanú cez tyč k druhému meniču, opäť sa získa elektrický signál.

Rýchlosť šírenia vibrácií pozdĺž tyče je oveľa nižšia ako rýchlosť elektrického signálu, preto je signál prechádzajúci tyčou oneskorený v porovnaní so signálom dodávaným o množstvo spojené s rozdielom v rýchlostiach elektromagnetických a ultrazvukových vibrácií.

Magnetostrikčná oneskorovacia linka bude obsahovať vstupný prevodník, magnety, audio kanál, výstupný prevodník a absorbéry. Vstupný signál je privedený do prvej cievky, v tyčovom zvukovode z magnetostrikčného materiálu začínajú ultrazvukové frekvenčné kmity - mechanické kmity - magnet tu vytvára konštantné predpätie v konverznej zóne a počiatočnú magnetickú indukciu.

Ultrazvuk vo výrobnom priemysle (rezanie a zváranie)

Medzi zdroj ultrazvuku a diel je umiestnený abrazívny materiál (kremenný piesok, diamant, kameň atď.). Ultrazvuk pôsobí na brúsne častice, ktoré následne dopadajú na diel pri ultrazvukovej frekvencii. Materiál dielu je zničený pod vplyvom obrovského množstva drobných nárazov brúsnych zŕn - tak dochádza k spracovaniu.

Rezanie je kombinované s posuvným pohybom, pričom hlavnými sú pozdĺžne rezné vibrácie. Presnosť spracovania ultrazvukom závisí od zrnitosti brusiva a dosahuje 1 mikrón. Týmto spôsobom sú potrebné zložité rezy pri výrobe kovových dielov, brúsení, gravírovaní a vŕtaní.

Ak je potrebné zvárať rozdielne kovy (alebo dokonca polyméry) alebo kombinovať hrubú časť s tenkou doskou, ultrazvuk opäť prichádza na pomoc. Ide o tzv. Vplyvom ultrazvuku v oblasti zvárania sa kov stáva veľmi tvárnym, diely sa dajú veľmi ľahko otáčať pri spájaní pod ľubovoľným uhlom. A akonáhle vypnete ultrazvuk, diely sa okamžite spoja a zafixujú.

Je obzvlášť pozoruhodné, že zváranie prebieha pri teplote pod bodom topenia dielov a ich spojenie prebieha prakticky v pevnom stave. Týmto spôsobom sa však zvára oceľ, titán a dokonca aj molybdén. Najľahšie sa zvárajú tenké plechy. Tento spôsob zvárania nevyžaduje špeciálnu prípravu povrchu dielov, to platí pre kovy aj polyméry.

Ultrazvuk v metalurgii (ultrazvuková detekcia defektov)

Ultrazvuková detekcia chýb je jednou z najefektívnejších metód kontroly kvality kovových dielov bez zničenia. V homogénnych médiách sa ultrazvuk šíri smerovo bez rýchleho útlmu a je charakterizovaný odrazom na hraniciach médií. Kovové časti sa teda kontrolujú na prítomnosť dutín a trhlín v nich (rozhranie vzduch-kov) a zisťuje sa zvýšená únava kovu.

Ultrazvuk je schopný preniknúť do časti do hĺbky 10 metrov a veľkosť zistených defektov je rádovo 5 mm. Existujú: tieň, pulz, rezonancia, štrukturálna analýza, vizualizácia, - päť metód ultrazvukovej detekcie defektov.

Najjednoduchšou metódou je tieňová ultrazvuková detekcia defektov, ktorá je založená na zoslabovaní ultrazvukovej vlny pri jej prechode cez súčiastku na defekt, pretože defekt vytvára ultrazvukový tieň. Pracujú dva prevodníky: prvý vysiela vlnu, druhý ju prijíma.

Táto metóda je necitlivá, defekt je zistený len vtedy, ak jeho vplyv zmení signál aspoň o 15% a taktiež nie je možné určiť hĺbku, kde sa defekt v diele nachádza. Pulzná ultrazvuková metóda poskytuje presnejšie výsledky, ukazuje aj hĺbku.

Metóda ultrazvukovej detekcie defektov kovov a iných materiálov bola prvýkrát vyvinutá a prakticky implementovaná v Sovietskom zväze v rokoch 1928-1930. Prednášal prof. S. Ya. Sokolov.

Ultrazvukové vlny sú elastické vibrácie hmotného média, ktorých frekvencia leží mimo počuteľnosti v rozsahu od 20 kHz (nízkofrekvenčné vlny) do 500 MHz (vysokofrekvenčné vlny).

Ultrazvukové vibrácie sú pozdĺžne a priečne. Ak sa častice média pohybujú rovnobežne so smerom šírenia vlny, potom je takáto vlna pozdĺžna, ak je kolmá, je priečna. Na nájdenie defektov vo zvaroch sa používajú hlavne priečne vlny nasmerované pod uhlom k povrchu zváraných dielov.

Ultrazvukové vlny sú schopné preniknúť do materiálových médií do veľkých hĺbok, lámať sa a odrážať, keď narazia na hranicu dvoch materiálov s rôznou priepustnosťou zvuku. Práve táto schopnosť ultrazvukových vĺn sa využíva pri ultrazvukovej detekcii chýb zvarových spojov.

Ultrazvukové vibrácie sa môžu šíriť v rôznych médiách – vzduch, plyny, drevo, kov, kvapaliny.

Rýchlosť šírenia ultrazvukových vĺn C je určená vzorcom:

kde f je frekvencia oscilácií, Hz; λ - vlnová dĺžka, cm.

Na identifikáciu malých defektov vo zvaroch by sa mali použiť krátkovlnné ultrazvukové vibrácie, pretože vlna, ktorej dĺžka je väčšia ako veľkosť defektu, ho nemusí odhaliť.

Príjem ultrazvukových vĺn

Ultrazvukové vlny sa vyrábajú mechanickými, tepelnými, magnetostrikčnými (magnetostrikcia je zmena veľkosti tela počas magnetizácie) a piezoelektrickými (predpona „piezo“ znamená „lisovať“).

Najbežnejší je druhý spôsob, založený na piezoelektrickom efekte niektorých kryštálov (kremeň, Rochellova soľ, titaničitan bárnatý): ak sú protiľahlé strany dosky vyrezanej z kryštálu nabité opačnou elektrinou s frekvenciou nad 20 000 Hz, potom doska bude vibrovať v čase so zmenami v znakoch nábojov a prenášať mechanické vibrácie do okolia vo forme ultrazvukovej vlny. Elektrické vibrácie sa tak menia na mechanické.

V rôznych systémoch ultrazvukových defektoskopov sa používajú vysokofrekvenčné generátory, ktoré nastavujú elektrické oscilácie od stoviek tisíc až po niekoľko miliónov hertzov až po piezoelektrické platne.

Piezoelektrické dosky môžu slúžiť nielen ako žiariče, ale aj ako prijímače ultrazvuku. V tomto prípade pod vplyvom ultrazvukových vĺn vznikajú na okrajoch kryštálov prijímača malé elektrické náboje, ktoré sú zaznamenávané špeciálnymi zosilňovacími zariadeniami.

Metódy identifikácie defektov pomocou ultrazvuku

V zásade existujú dva spôsoby ultrazvukovej detekcie defektov: tieň a pulzné echo (metóda odrazených vibrácií).

Ryža. 41. Schémy na ultrazvukovú detekciu defektov a - tieň; b - echo pulznou metódou; 1 - sonda-emitor; 2 - skúmaná časť; 3 - prijímač sondy; 4 - defekt

Pri tieňovej metóde (obr. 41, a) ultrazvukové vlny prechádzajúce zvarom od zdroja ultrazvukových vibrácií (sonda-emitor) pri stretnutí s defektom cez neho nepreniknú, keďže hranica defektu je hranicou dvoch odlišné médiá (kov - troska alebo kov - plyn). Za defektom sa vytvorí oblasť takzvaného „zvukového tieňa“. Intenzita ultrazvukových vibrácií prijímaných sondou prijímača prudko klesá a zmena veľkosti impulzov na obrazovke katódovej trubice defektoskopu indikuje prítomnosť defektov. Táto metóda má obmedzené použitie, pretože je potrebný bilaterálny prístup k stehu a v niektorých prípadoch je potrebné odstrániť zosilnenie stehu.

Pri pulzno-echo metóde (obr. 41.6) vysiela emitorová sonda cez zvarový šev impulzy ultrazvukových vĺn, ktoré sa pri výskyte defektu od neho odrazia a zachytia sondou prijímača. Tieto impulzy sa zaznamenávajú na obrazovke katódovej trubice defektoskopu vo forme píkov indikujúcich prítomnosť defektu. Meraním času od momentu vyslania impulzu do prijatia spätného signálu je možné určiť hĺbku defektov. Hlavnou výhodou tejto metódy je, že testovanie sa môže vykonávať s jednostranným prístupom k zvaru bez odstránenia výstuže alebo predbežného spracovania švu. Táto metóda sa najčastejšie používa pri ultrazvukovej detekcii chýb zvarov.

Ultrazvuk

Ultrazvuk- elastické vibrácie s frekvenciou nad hranicou počuteľnosti pre človeka. Obvykle sa za ultrazvukový rozsah považujú frekvencie nad 18 000 hertzov.

Hoci je existencia ultrazvuku známa už dlho, jeho praktické využitie je pomerne mladé. V súčasnosti je ultrazvuk široko používaný v rôznych fyzikálnych a technologických metódach. Rýchlosť šírenia zvuku v médiu sa teda používa na posúdenie jeho fyzikálnych vlastností. Meranie rýchlosti na ultrazvukových frekvenciách umožňuje s veľmi malými chybami určiť napríklad adiabatické charakteristiky rýchlych procesov, mernú tepelnú kapacitu plynov a elastické konštanty pevných látok.

Zdroje ultrazvuku

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

V prírode sa ultrazvuk nachádza ako súčasť mnohých prírodných zvukov (v hluku vetra, vodopádu, dažďa, v hluku kamienkov valených morským príbojom, v zvukoch sprevádzajúcich výboje búrok atď.), ako aj medzi zvukmi zvieracieho sveta. Niektoré zvieratá používajú ultrazvukové vlny na detekciu prekážok a navigáciu vo vesmíre.

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

Galtonova píšťalka

Prvú ultrazvukovú píšťalu vyrobil v roku 1883 Angličan Galton. Ultrazvuk tu vzniká podobne ako vysoký zvuk na ostrí noža, keď naň dopadá prúd vzduchu. Úlohu takéhoto hrotu v Galtonovej píšťalke zohráva „pera“ v malej valcovej rezonančnej dutine. Plyn vytláčaný pod vysokým tlakom cez dutý valec naráža na túto „peru“; vznikajú kmity, ktorých frekvencia (je to asi 170 kHz) je určená veľkosťou dýzy a pery. Sila Galtonovej píšťaly je nízka. Používa sa hlavne na zadávanie povelov pri výcviku psov a mačiek.

Tekutá ultrazvuková píšťalka

Väčšina ultrazvukových píšťal môže byť prispôsobená na prevádzku v tekutom prostredí. Kvapalné ultrazvukové píšťaly sú v porovnaní s elektrickými zdrojmi ultrazvuku málo výkonné, no niekedy napríklad pre ultrazvukovú homogenizáciu majú značnú výhodu. Keďže ultrazvukové vlny vznikajú priamo v kvapalnom médiu, nedochádza pri prechode z jedného média do druhého k strate energie z ultrazvukových vĺn. Azda najúspešnejším dizajnom je tekutá ultrazvuková píšťalka, ktorú vyrobili anglickí vedci Cottel a Goodman začiatkom 50. rokov 20. storočia. V ňom prúd vysokotlakovej kvapaliny vystupuje z eliptickej dýzy a smeruje na oceľovú platňu. Rôzne modifikácie tohto dizajnu sa stali pomerne rozšírenými na získanie homogénnych médií. Vďaka jednoduchosti a stabilite ich konštrukcie (len oscilačná doska je zničená) sú takéto systémy odolné a lacné.

Siréna

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

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

Ultrazvuk v prírode

Ultrazvukové aplikácie

Diagnostické aplikácie ultrazvuku v medicíne (ultrazvuk)

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

Terapeutické aplikácie ultrazvuku v medicíne

Okrem širokého použitia na diagnostické účely (pozri Ultrazvuk) sa ultrazvuk používa v medicíne ako terapeutické činidlo.

Ultrazvuk má nasledujúce účinky:

• protizápalové, absorbujúce
• analgetikum, spazmolytikum
• kavitačné zvýšenie priepustnosti kože

Fonoforéza je kombinovaná metóda, pri ktorej je tkanivo vystavené ultrazvuku a s jeho pomocou sa zavádzajú liečivé látky (lieky aj prírodného pôvodu). Vedenie látok pod vplyvom ultrazvuku je spôsobené zvýšením priepustnosti epidermy a kožných žliaz, bunkových membrán a cievnych stien pre látky s malou molekulovou hmotnosťou, najmä ióny bischofitu. Pohodlie ultrafonoforézy liekov a prírodných látok:

• terapeutická látka sa pri podávaní ultrazvukom nezničí
• synergiu medzi ultrazvukom a liečivými látkami

Indikácie pre bischofitovú fonoforézu: artróza, osteochondróza, artritída, burzitída, epikondylitída, pätová ostroha, stavy po úrazoch pohybového aparátu; Neuritída, neuropatie, radikulitída, neuralgia, poranenia nervov.

Nanesie sa Bischofite gél a pomocou pracovnej plochy žiariča sa vykoná mikromasáž ošetrovanej oblasti. Technika je labilná, obvyklá pre ultrafonoforézu (pri UVF kĺbov a chrbtice je intenzita v krčnej oblasti 0,2-0,4 W/cm2, v hrudnej a driekovej oblasti - 0,4-0,6 W/cm2).

Rezanie kovu pomocou ultrazvuku

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

Ultrazvuk možno dokonca použiť na rezanie skrutiek do kovových častí, skla, rubínu a diamantu. Zvyčajne je závit najskôr vyrobený z mäkkého kovu a potom je časť vytvrdená. Na ultrazvukovom stroji je možné vyrobiť závity v už vytvrdenom kove a v najtvrdších zliatinách. Rovnako je to aj so známkami. Zvyčajne sa pečiatka po starostlivom dokončení vytvrdzuje. Na ultrazvukovom stroji sa najkomplexnejšie spracovanie vykonáva abrazívom (šmirgľový, korundový prášok) v oblasti ultrazvukovej vlny. Častice tuhého prášku kontinuálne oscilujú v ultrazvukovom poli do spracovávanej zliatiny a vyrezávajú otvor rovnakého tvaru ako dláto.

Príprava zmesí pomocou ultrazvuku

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

Aplikácia ultrazvuku v biológii

Schopnosť ultrazvuku pretrhnúť bunkové membrány našla uplatnenie napríklad v biologickom výskume, keď je potrebné oddeliť bunku od enzýmov. Ultrazvuk sa tiež používa na narušenie vnútrobunkových štruktúr, ako sú mitochondrie a chloroplasty, aby sa študoval vzťah medzi ich štruktúrou a funkciou. Ďalšie využitie ultrazvuku v biológii súvisí s jeho schopnosťou vyvolať mutácie. Výskum uskutočnený v Oxforde ukázal, že aj ultrazvuk s nízkou intenzitou môže poškodiť molekulu DNA. Umelá, cielená tvorba mutácií hrá dôležitú úlohu pri šľachtení rastlín. Hlavnou výhodou ultrazvuku oproti iným mutagénom (röntgenové lúče, ultrafialové lúče) je mimoriadne jednoduchá práca.

Použitie ultrazvuku na čistenie

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

V laboratórnych a výrobných podmienkach sa na umývanie malých častí a riadu používajú ultrazvukové vane naplnené rozpúšťadlom (voda, alkohol a pod.). Niekedy sa s ich pomocou umyje aj koreňová zelenina (zemiaky, mrkva, repa atď.) Z častíc pôdy.

Aplikácia ultrazvuku pri meraní prietoku

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

Aplikácia ultrazvuku pri detekcii chýb

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

Ultrazvukové zváranie

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

Aplikácia ultrazvuku pri galvanickom pokovovaní

Ultrazvuk sa používa na zintenzívnenie galvanických procesov a zlepšenie kvality povlakov vyrábaných elektrochemickými metódami.

Ultrazvuk- Ide o zvukové vlny, ktoré majú frekvenciu, ktorá nie je vnímateľná ľudským uchom, zvyčajne s frekvenciou nad 20 000 hertzov.

V prírodnom prostredí môže vznikať ultrazvuk v rôznych prírodných zvukoch (vodopád, vietor, dážď). Mnohí predstavitelia fauny používajú ultrazvuk na orientáciu v priestore (netopiere, delfíny, veľryby)

Zdroje ultrazvuku možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín.

1. Emitor-generátory - oscilácie v nich sú excitované v dôsledku prítomnosti prekážok v ceste konštantného toku - prúdu plynu alebo kvapaliny.
2. Elektroakustické prevodníky; premieňajú už dané výkyvy elektrického napätia alebo prúdu na mechanické vibrácie pevného telesa, ktoré do okolia vysiela akustické vlny.

Veda o ultrazvuku je relatívne mladá. Na konci 19. storočia ruský vedec a fyziológ P. N. Lebedev prvýkrát uskutočnil ultrazvukový výskum.

V súčasnosti je použitie ultrazvuku pomerne veľké. Keďže ultrazvuk sa dá celkom ľahko nasmerovať v koncentrovanom „lúči“, používa sa v rôznych oblastiach: aplikácia je založená na rôznych vlastnostiach ultrazvuku.

Bežne možno rozlíšiť tri oblasti použitia ultrazvuku:

1. Prenos a spracovanie signálu
2. Získavanie rôznych informácií pomocou ultrazvukových vĺn
3. Vplyv ultrazvuku na látku.

V tomto článku sa dotkneme len malej časti možností využitia KM.

1. Liek. Ultrazvuk sa používa v stomatológii aj chirurgii a používa sa aj na ultrazvukové vyšetrenie vnútorných orgánov.
2. Ultrazvukové čistenie. Zvlášť jasne to demonštruje príklad centra ultrazvukového vybavenia PSB-Gals. Najmä môžete zvážiť použitie ultrazvukových kúpeľov http://www.psb-gals.ru/catalog/usc.html, ktoré sa používajú na čistenie, miešanie, miešanie, mletie, odplyňovanie kvapalín, urýchľovanie chemických reakcií, získavanie surovín materiály, získanie stabilných emulzií atď.
3. Spracovanie krehkých alebo ultratvrdých materiálov. K premene materiálov dochádza prostredníctvom mnohých mikrovplyvov

Toto je len najmenšia časť využitia ultrazvukových vĺn. Ak máte záujem, zanechajte komentár a my sa téme budeme venovať podrobnejšie.

Tri hlavné oblasti použitia ultrazvuku v medicíne sú ultrazvuková diagnostika, „ultrazvukový skalpel“ a ultrazvuková fyzioterapia. Začnime príbeh poslednými dvoma.

„Ultrazvukový skalpel“ sa používa predovšetkým tam, kde je potrebná presná a obmedzená expozícia, kde každý milimeter zničeného tkaniva navyše môže spôsobiť vážne následky, ako napríklad pri chirurgickej liečbe očných chorôb, plastickej chirurgii tváre a pod. na malej ploche podľa veľkosti danej plochy umožňuje ovplyvniť hlboko uložené štruktúry tela. Je to dôležité najmä pri vykonávaní neurochirurgických operácií na mozgu, pri operáciách na zničenie pomocných dráh srdca. Keď sa frekvencia ultrazvuku zvyšuje, jeho pôsobenie sa stáva extrémne lokalizovaným. Napríklad pri frekvencii 4 MHz môže byť zničená oblasť tkaniva s objemom len 0,05 mm3, pričom okolité tkanivo zostane nepoškodené.

Na liečbu očných chorôb prvýkrát použili ultrazvuk lekári vo Výskumnom ústave očných chorôb a tkanivovej terapie v Odese. V. P. Filatov, známy vývojom množstva nových metód liečby zákalu rohovky, katarakty traumatického pôvodu, odchlípenia sietnice a pod. Nízkofrekvenčný ultrazvuk s frekvenciou 20-40 kHz bol použitý aj na rozšírenie slzného kanála. ako pri operáciách na rohovke.

Operácia sivého zákalu (zákalu šošovky) sa zvyčajne vykonáva až po jej dozretí, keď už došlo k úplnej strate zraku. V prírodných podmienkach tento proces niekedy trvá roky. „Ozvučenie“ ultrazvukom ho zrýchli až na niekoľko minút, čo umožňuje vykonať operáciu skôr a s lepšími výsledkami. Na vykonanie tejto operácie bol vyvinutý originálny ultrazvukový prístroj vo forme dutej ihly s hrúbkou 1 mm, uzavretej v tenkom silikónovom puzdre a pripojenej k ultrazvukovému generátoru. Pri pozorovaní pohybu ihly cez mikroskop ju chirurg priblíži k šošovke a zapne ultrazvuk. Pod vplyvom ultrazvuku sa zakalená šošovka po niekoľkých okamihoch skvapalní. Výsledná kvapalina sa vymyje z kapsuly dezinfekčným roztokom vstupujúcim cez medzeru medzi ihlou a jej puzdrom a odsaje sa vnútorným kanálom ihly. Pooperačné obdobie po takejto operácii je výrazne znížené.

Fokusovaný ultrazvuk sa použil na oddialenie potenciálne oslepujúceho odlúčenia sietnice. Jeho cielený účinok v niekoľkých bodoch fixuje sietnicu k podložným tkanivám. V mnohých prípadoch pomáha ultrazvuk vyhnúť sa operácii glaukómu. Hlavným príznakom tohto ochorenia je zvýšený vnútroočný tlak. Skléra oka je „ozvučená“ ultrazvukom v niekoľkých bodoch, po ktorých vnútroočný tlak klesá. Podľa amerických lekárov je táto metóda účinná v 80% prípadov.

Deštruktívny účinok ultrazvuku sa využíva aj na odstránenie krvných zrazenín z veľkých ciev. Cez otvor vytvorený špeciálnou ihlou vloží chirurg do cievy tenký ultrazvukový vlnovod a opatrne ho posúva smerom ku krvnej zrazenine. Po 10-12 sekundách „znenia“ trombus prestane existovať a výsledný tekutý obsah sa vymyje z lúmenu cievy a odsaje sa tou istou ihlou. Nástroj sa vyberie a otvor sa „utesní“ ultrazvukovým zvarom.

Ultrazvuk sa využíva aj pri chirurgickej liečbe ochorení ucha, nosa a hrdla. Operácie na odstránenie opuchnutého tkaniva z chronicky zapálenej nosovej sliznice a na korekciu vychýlenej nosovej priehradky sa vo väčšine prípadov vykonávajú pomocou skalpela, dláta a kladiva. Neskôr vyvinuli ultrazvukové zariadenie na túto operáciu. Ultrazvukový prístroj ho umožnil vykonať nekrvavo, takmer bezbolestne a navyše mnohonásobne rýchlejšie. Rovnaká skupina ruských lekárov vyvinula ultrazvukový skalpel na vykonávanie tracheotómie (prerezanie priedušnice). Táto operácia sa zvyčajne vykonáva zo zdravotných dôvodov - pri náhlom začiatku dusenia. Každý okamih je tu vzácny a použitie ultrazvuku môže ušetriť až 10 minút.

Ultrazvuková metóda podľa mnohých lekárov nepochybne rozširuje možnosti chirurgickej liečby pacientov s rôznymi patológiami pľúc a pohrudnice. Lekári vykonávajú operáciu hrudníka pomocou ultrazvuku. Ultrazvukový nástroj prerezáva a spája hrudnú kosť, rebrá, priedušky a zúžené tepny bougiens. Do praxe sa zavádzajú dlhé flexibilné ultrazvukové vlnovody na manipuláciu s priedušnicou a prieduškami, ktoré po prvý raz na svete vyvinula skupina sovietskych vedcov. Uskutočňujú sa experimentálne štúdie na pripojenie tkaniva podnosu a uzavretie bronchiálneho pahýľa pomocou ultrazvuku.

Vedci vyvinuli a aplikovali metódu rezania a spájania kostného tkaniva ultrazvukom pomocou ultrazvukového zvárania – najskôr v početných pokusoch na zvieratách a neskôr na klinike. Na rezanie kosti obyčajnou pílkou je potrebné odlúpnuť mäkké tkanivo na pomerne veľkej ploche, ale pre ultrazvukovú pílu stačí otvor v mäkkom tkanive s priemerom 1 cm, čo je obzvlášť dôležité pri kraniotómii, resekcii rebier a pod.

Metóda ultrazvukového nanášania na kostné tkanivo spočíva v tom, že dutina vytvorená v kosti po odstránení patologického ložiska je vyplnená kostnými trieskami, ktoré sú impregnované špeciálnym výplňovým materiálom a „ozvučené“ ultrazvukom. Po „znení“ sa celá táto hmota zmení na konglomerát, ktorý je pevne spojený s kosťou. Ultrazvuk sa tiež používa na spojenie tkanív pečene, sleziny a endokrinných žliaz.

Ultrazvukové prístroje sa už dlhé roky používajú v stomatológii na odstraňovanie zubného kameňa a v posledných rokoch aj na liečbu kazu a jeho komplikácií. Medzi pracovným koncom ultrazvukového vibrátora a zubom sa umiestni brusivo (oxid hlinitý, bór, atď. prášok suspendovaný vo vode). Brúsne častice, ktoré narážajú na zubné tkanivo, z neho postupne odstraňujú vrstvu po vrstve. Výsledná dutina reprodukuje tvar konca vibrátora. Jeho steny sú hladko leštené. Lepšia je aj kvalita výplne, keďže vplyvom „ozvučenia“ sa mení štruktúra a zvyšuje sa hustota výplňového materiálu. Ultrazvukové zubné ošetrenie je tiché. Vývin tepla, a teda zahrievanie zuba, je slabšie ako pri vŕtaní s rotačnou frézou. Preto bolesť u väčšiny pacientov chýba alebo je minimálna. V tomto prípade sa táto nepochybná výhoda ultrazvuku mení na jeho nevýhodu. Pri prakticky bezbolestnej ultrazvukovej liečbe pulpitídy je pre lekára ťažké určiť okamih priblíženia sa k nervu. Preto môžu ultrazvukové vŕtačky používať iba skúsení špecialisti.

Drvivý účinok ultrazvuku sa môže použiť aj na zničenie ureterálnych kameňov. Ultrazvukový nástroj rozdrví kameň za 5-60 sekúnd v závislosti od veľkosti a hustoty kameňa.

Ultrazvukový skalpel nie je ani vzhľadom, ani princípom činnosti podobný chirurgickému. Navonok pripomína miniatúrnu dvojstupňovú raketu, ktorá sa ľahko zmestí do ruky. Jeho prvý stupeň obsahuje ultrazvukový vibrátor, ktorého činnosť je založená na princípe magnetostrikcie (z latinského slova „strictio“ - kompresia).

Podstatou javu magnetostrikcie je, že niektoré kovy, keď sú vystavené magnetickému poľu, menia svoje geometrické rozmery. Ak sa okolo tyče z takéhoto feromagnetického materiálu navinie medený drôt a cez ňu prechádza striedavý prúd s frekvenciou zodpovedajúcou ultrazvukovým frekvenciám, potom tyč zmení svoje rozmery pri rovnakej frekvencii. Pretože amplitúda zmien veľkosti vibrátora je veľmi malá, je na jeho zosilnenie navrhnutý ultrazvukový koncentrátor (druhý stupeň „rakety“). Koncentrátor sa zužuje od základne smerom nahor, pričom rozsah vibrácií je desaťkrát väčší ako základňa, ktorá mení polohu spolu s vibrátorom. Amplitúda oscilácie hornej časti koncentrátora dosahuje 50-60 mikrónov a frekvencia je 25-50 kHz. Ultrazvukový skalpel funguje ako ostrá mikropílka. Vďaka energii ultrazvukových vibrácií oddeľuje tkanivo na hraniciach kontaktu bunkových membrán, takmer bez poškodenia samotných buniek, čo podporuje lepšie a rýchlejšie hojenie. Miernym pootočením nástroja a tým aj zmenou smeru ultrazvukového lúča môžete zmeniť smer rezu bez rozšírenia operačného prístupu. Pri rezaní tkaniva ultrazvuk zastaví kapilárne krvácanie. Je tiež dôležité, aby použitie ultrazvuku výrazne znížilo bolestivosť chirurgickej intervencie.

Chirurgická ultrazvuková technológia je v súčasnosti súčasťou arzenálu praktickej medicíny. Používa sa spolu s tradičnými chirurgickými nástrojmi, elektrokoaguláciou, laserom a inými metódami, berúc do úvahy charakteristiky ochorenia, indikácie a kontraindikácie. So zdokonaľovaním a zväčšovaním výroby ultrazvukových zariadení pre chirurgické zákroky sa bude rozširovať aj ich implementácia do praxe.

Fyzikálne javy, ktoré sa vyskytujú, keď ultrazvuk ovplyvňuje tekutiny, boli základom novej techniky liečby rán, ktorú vyvinuli ruskí vedci. Do rany sa vstrekujú roztoky antibiotík alebo antiseptík, ktoré sa „ozvučia“ pomocou ultrazvukového vlnovodu. Sonifikovaná kvapalina odstraňuje odumreté tkanivo, masíruje povrch rany a zlepšuje krvný obeh v nej. Zlepšuje sa aj difúzia liečivých látok, znižuje sa bolesť pri preväzovaní a znižuje sa bakteriálna kontaminácia rany, čo prispieva k rýchlejšiemu a hladšiemu hojeniu. Doba liečby takýchto pacientov v nemocnici sa výrazne skráti.

Samostatnou oblasťou použitia ultrazvuku v medicíne je ultrazvuková fyzioterapia.

Mechanizmus fyziologického účinku terapeutického ultrazvuku na tkanivo živého organizmu ešte nie je úplne objasnený. Je zvykom rozlišovať tri hlavné faktory vplyvu ultrazvuku: mechanické, tepelné a fyzikálno-chemické. Mechanický efekt spočíva vo vibračnej mikromasáži tkanív na bunkovej a subcelulárnej úrovni, zvyšovaní priepustnosti bunkových membrán a metabolizmu v bunkách a tkanivách tela. Tepelný účinok ultrazvuku pri nízkych intenzitách používaného na terapeutické účely je nevýznamný. Teplo sa môže akumulovať najmä v tkanivách, ktoré najviac absorbujú ultrazvukovú energiu (nervové, kostné), ako aj na hraniciach prostredí s rôznym akustickým odporom (na hranici kostí a mäkkých tkanív) a v miestach s nedostatočným prekrvením.

Fyzikálno-chemický účinok ultrazvuku je spôsobený najmä tým, že využitie akustickej energie spôsobuje mechanickú rezonanciu v substancii živých tkanív. Zároveň sa zrýchľuje pohyb molekúl, zväčšuje sa ich rozpad na ióny, mení sa elektrický stav buniek a pericelulárnej tekutiny, vznikajú nové elektrické polia, zvyšuje sa difúzia cez biologické membrány, aktivujú sa metabolické procesy.

Pri pôsobení ultrazvuku sa zlepšuje jej bariérovo-ochranná funkcia, zvyšuje sa činnosť potných a mazových žliaz a aktivujú sa regeneračné procesy. Je zaujímavé, že citlivosť pokožky rôznych oblastí tela na ultrazvuk nie je rovnaká: v oblasti tváre a brucha je vyššia ako v oblasti končatín.

Pri pôsobení ultrazvuku na nervový systém s výkonom 0,5 W/cm2. rýchlosť excitácie pozdĺž nervových vlákien sa zvyšuje a pri vyššej intenzite - 1 W / cm2. - znižuje sa. Ultrazvuk strednej intenzity pôsobí protikŕčovo – uvoľňuje kŕče priedušiek, žlčových a močových ciest, čriev, zvyšuje močenie. Pod jeho vplyvom sa normalizuje cievny tonus, zlepšuje sa prekrvenie tkanív a zvyšuje sa ich absorpcia kyslíka.

Ultrazvuk sa používa na liečbu chronickej tonzilitídy. Postihnuté mandle sú „ozvučené“ ultrazvukom s nízkou intenzitou, čím sa znižuje aktivita patogénnych mikroorganizmov, zlepšuje sa výživa tkanív a aktivujú sa imunobiologické procesy. Výsledkom je, že takáto ambulantná liečba pomáha zachovať mandle, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu v obranných reakciách organizmu. Rostovskí lekári vyvinuli originálnu metódu ultrazvukovej masáže očí. Po instilácii anestetického lieku sa na oko pacienta umiestni prstencový rám a zapne sa ultrazvuk. Po desiatke sedení takejto ultrazvukovej masáže u pacientov s počiatočnou formou glaukómu sa normalizuje vnútroočný tlak.

V gynekológii sa ultrazvuk používa na liečbu erózie krčka maternice. Už po dvoch alebo troch ultrazvukových procedúrach, vykonávaných v intervaloch 1-2 dní, sa erózia začala hojiť a po mesiaci u väčšiny pacientov úplne zmizla.

Jednou zo špecializácií ultrazvukovej terapie je liečba adenómu prostaty. Toto ochorenie postihuje najmä starších mužov. Liečba je vo väčšine prípadov chirurgická. Použitie ultrazvukovej terapie pri adenóme prostaty a prostatitíde prináša dobré výsledky: po niekoľkých procedúrach bolesť pacientov takmer úplne zmizla, močenie sa stalo normálnym a celkový stav sa zlepšil. „Sounding“ vykonaný po operácii na odstránenie žľazy prispieva k lepšiemu priebehu pooperačného obdobia.

Ultrazvuková terapia sa najčastejšie používa pri osteochondróze, artróze, radikulitíde a iných ochoreniach periférneho nervového systému a pohybového aparátu.

Ultrazvuková liečba sa neodporúča pri akútnych infekčných ochoreniach, angíne pectoris, srdcovej aneuryzme, hypertenzii štádia II B a III, krvných ochoreniach, sklone ku krvácaniu a tiež počas tehotenstva. Predtým sa za kontraindikáciu považovala aj prítomnosť zhubných nádorov. Nedávno sa však študovalo použitie ultrazvukovej terapie na ich liečbu, a to ako samostatne, tak v kombinácii s rádioterapiou.

Niekedy sa ultrazvuk používa v kombinácii s rôznymi liečivými látkami. Táto metóda sa nazýva fonoforéza, aj keď správnejšie by bolo nazvať ju ultrafonoforézou. Metóda je založená na zvýšení priepustnosti kože, slizníc, bunkových membrán a zlepšení lokálnej mikrocirkulácie pod vplyvom ultrazvuku. To všetko napomáha zavedeniu množstva liečivých látok cez kožu a sliznice.

V súčasnosti sa používa fonoforéza mnohých liekov, ako je hydrokortizón, analgín, aminazín, interferón, komplamin, heparín, extrakt z aloe, FiBS, množstvo antibiotík atď. Zistilo sa však, že niektoré lieky, napríklad aminofylín, kyselina askorbová, tiamín (vitamín B1) a iné, keď sa „ozvú“ ultrazvukom, do tela buď nepreniknú, alebo sa zničia. Niekedy sa pri fonoforéze najskôr ozve ultrazvukom koža alebo sliznica a potom sa po odstránení kontaktného média aplikuje liečivá látka vo forme pleťovej vody alebo masti. Ale častejšie sa postup vykonáva rovnakým spôsobom ako konvenčné ultrazvukové ožarovanie. Liečivé látky sa najskôr aplikujú na povrch kože alebo sliznice vo forme vodného roztoku, emulzie alebo masti. Slúžia aj ako kontaktné médium pri bodovaní. Pri fonoforéze, ako aj pri „znení“ bez použitia liekov sa používajú dve techniky: stabilné a labilné. Pri prvom zostáva vibrátor počas procedúry nehybný, pri druhom sa pomaly pohybuje po povrchu kože alebo sliznice.

V posledných rokoch sa skúmali možnosti využitia ultrafonopunktúry, fokusovaného ultrazvuku, biokontrolovaného a biosynchronizovaného ultrazvuku. Rozsah ultrazvukovej terapie sa neustále rozširuje.