Ультразвуком називають пружні хвилі (хвилі, що розповсюджуються в рідких, твердих і газоподібних середовищах за рахунок дії пружних сил), частота яких лежить за межами чутного для людини діапазону - приблизно від 20 кГц і вище.

Корисні особливості ультразвукових хвиль

І хоча фізично ультразвук має ту ж природу, що і чутний звук, відрізняючись лише умовно (вищою частотою), саме завдяки вищій частоті ультразвук виявляється застосовним по ряду корисних напрямків. Так, при вимірюванні швидкості ультразвуку в твердій, рідкій або газоподібній речовині, отримують дуже незначні похибки при моніторингу процесів, що швидко протікають, при визначенні питомої теплоємності (газу), при вимірюванні пружних постійних твердих тіл.

Висока частота при малих амплітудах дає можливість досягати підвищених густин потоків енергії, тому що енергія пружної хвилі пропорційна квадрату її частоти. Крім того, ультразвукові хвилі, що використовуються правильним чином дозволяють отримати ряд абсолютно особливих акустичних ефектів і явищ.

Одне з таких незвичайних явищ - акустична кавітація, що виникає при напрямі потужної ультразвукової хвилі рідини. У рідині, у полі дії ультразвуку, крихітні бульбашки пари або газу (субмікроскопічного розміру) починають рости до часток міліметрів у діаметрі, при цьому пульсуючи з частотою хвилі і хлопаючись у позитивній фазі тиску.

Бульбашка, що захлопується, породжує локально високий імпульс тиску, що вимірюється тисячами атмосфер, стаючи джерелом ударних сферичних хвиль. Акустичні мікропотоки, що утворюються біля таких пульсуючих бульбашок, отримали корисне застосування для отримання емульсій, очищення деталей і т.д.

Фокусуючи ультразвук, отримують звукові зображення в акустичній голографії та в системах звукобачення, концентрують звукову енергію з метою формування спрямованих випромінювань із заданими та керованими характеристиками спрямованості.

Використовуючи ультразвукову хвилю як дифракційні грати для світла, можна для тих чи інших цілей змінювати показники заломлення світла, оскільки щільність в ультразвуковій хвилі, як і в пружній хвилі в принципі, періодично змінюється.

Нарешті, особливості пов'язані зі швидкістю поширення ультразвуку. У неорганічних середовищах ультразвук поширюється зі швидкістю, що залежить від пружності та щільності середовищ.

Що стосується середовищ органічних, то тут на швидкість впливають межі та їх характер, тобто фазова швидкість залежить від частоти (дисперсія). Ультразвук згасає з видаленням фронту хвилі від джерела – фронт розходиться, ультразвук розсіюється, поглинається.

Внутрішнє тертя середовища (зсувна в'язкість) призводить до класичного поглинання ультразвуку, крім того, релаксаційне поглинання для ультразвуку перевершує класичне. У газі ультразвук загасає сильніше, у твердих і рідких тілах - набагато слабше. У воді, наприклад, загасає у 1000 разів повільніше ніж у повітрі. Так, промислові області застосування ультразвуку майже цілком пов'язані з твердими та рідкими тілами.

Ультразвук в ехолокації та гідролокації (харчова, оборонна, видобувна промисловості)

Перший прообраз гідролокатора був створений для запобігання зіткнень суден з крижинами та айсбергами, російським інженером Шиловським разом із французьким фізиком Ланжевеном у далекому 1912 році.

Прилад використовував принцип відображення та прийому звукової хвилі. Сигнал прямував у певну точку, а по затримці сигналу у відповідь (луна), знаючи швидкість звуку, можна було судити про відстань до перешкоди, що відобразила звук.

Шиловський і Ланжевен стали глибоко досліджувати гідроакустику, і невдовзі створили прилад, здатний виявляти ворожі підводні човни у Середземному морі з відривом до 2 кілометрів. Усі сучасні гідролокатори, зокрема військові, - нащадки того самого приладу.

Сучасні ехолоти на дослідження рельєфу дна складаються з чотирьох блоків: передавача, приймача, перетворювача і екрана. Функція передавача - відправляти вглиб води ультразвукові імпульси (50 кГц, 192 кГц або 200 кГц), які поширюються у воді зі швидкістю 1,5 км/с, де відбиваються від риб, каміння, інших предметів та дна, потім луна досягає приймача, що обробляється перетворювачем і результат відображається на дисплеї у зручній для зорового сприйняття формі.

Ультразвук в електронній та електроенергетичній промисловості

Без ультразвуку не обходяться багато сфер сучасної фізики. Фізика твердого тіла та напівпровідників, а також акустоелектроніка, багато в чому тісно пов'язані з ультразвуковими методами досліджень, - із впливами на частоті від 20 кГц та вище. Особливе місце займає тут акустоелектроніка, де ультразвукові хвилі взаємодіють із електричними полями та електронами всередині твердих тіл.

Об'ємні ультразвукові хвилі використовуються на лініях затримки та в кварцових резонаторах з метою стабілізації частоти у сучасних радіоелектронних системах обробки та передачі інформації. Поверхневі акустичні хвилі займають особливе місце у смугових фільтрах для телебачення, у синтезаторах частот, у пристроях перенесення заряду акустичною хвилею, у пристроях пам'яті та зчитування зображень. Нарешті, корелятори та конвольвери – використовують у своїй роботі поперечний акустоелектричний ефект.

Радіоелектроніка та ультразвук

Для затримки одного електричного сигналу щодо іншого корисні ультразвукові лінії затримки. Електричний імпульс перетворюється на імпульсне механічне коливання ультразвукової частоти, яке поширюється багаторазово повільніше електромагнітного імпульсу; потім механічне коливання обернено перетворюється на електричний імпульс, і виходить сигнал, затриманий щодо подається спочатку.

Для такого перетворення зазвичай застосовують п'єзоелектричні або магнітострикційні перетворювачі, тому лінії затримки називаються п'єзоелектричними або магнітострикційними.

У п'єзоелектричній лінії затримки електричний сигнал подається на кварцову пластинку (п'єзоелектричний перетворювач), жорстко з'єднану з металевим стрижнем.

До іншого кінця стрижня приєднано другий п'єзоелектричний перетворювач. Вхідний перетворювач приймає сигнал, створює механічні коливання, що поширюються по стрижню, і коли коливання досягають через стрижень другого перетворювача, знову виходить електричний сигнал.

Швидкість поширення коливань по стрижню значно менше ніж просто у електричного сигналу, тому сигнал, що пройшов через стрижень, затримується щодо подається на величину, пов'язану з різницею швидкостей електромагнітних і ультразвукових коливань.

Магнітострикційна лінія затримки стримує вхідний перетворювач, магніти, звукопровід, вихідний перетворювач та поглиначі. Вхідний сигнал подається на першу котушку, у стрижневому звукопроводі з магнітострикційного матеріалу починаються коливання ультразвукової частоти – механічні коливання – магніт створює тут постійне підмагнічування в зоні перетворення та початкову магнітну індукцію.

Ультразвук в обробній промисловості (різання та зварювання)

Між джерелом ультразвуку і деталлю мають абразивний матеріал (кварцовий пісок, алмаз, камінь і т. д.). Ультразвук діє на частинки абразиву, які у свою чергу із частотою ультразвуку вдаряють об деталь. Матеріал деталі під впливом величезної кількості крихітних ударів абразивних зерен руйнується - так відбувається обробка.

Різання складається з рухом подачі, при цьому поздовжні коливання різання є основними. Точність ультразвукової обробки залежить від зернистості абразиву і досягає 1 мкм. Таким шляхом роблять складні вирізи, необхідні у виготовленні металевих деталей, шліфуванні, гравіювання та свердлінні.

Якщо необхідно зварити різнорідні метали (або навіть полімери) або товсту деталь поєднати з тонкою пластиною - на допомогу знову ж таки приходить ультразвук. Це так звана. Під дією ультразвуку в області зварювання метал стає дуже пластичним, деталі можна легко обертати під час з'єднання під будь-якими кутами. І варто вимкнути ультразвук – деталі миттєво з'єднаються, схопляться.

Особливо примітно, що зварювання відбувається при температурі нижче за температуру плавлення деталей, і з'єднання їх відбувається фактично в твердому стані. Але так зварюють і сталі, і титан і навіть молібден. Тонкі листи зварюються найпростіше. Цей метод зварювання передбачає особливої ​​підготовки поверхні деталей, це стосується і металів і полімерів.

Ультразвук у металургії (ультразвукова дефектоскопія)

Ультразвукова дефектоскопія є одним із найефективніших методів контролю якості металевих деталей без руйнування. У однорідних середовищах ультразвук поширюється без швидких згасань спрямовано, і межі середовищ йому властиво відбиток. Так металеві деталі перевіряють на наявність у них раковин і тріщин (кордон середовищ повітря-метал), виявляють підвищену втому металу.

Ультразвук здатний проникнути в деталь на глибину до 10 метрів, причому розміри дефектів, що виявляються, мають порядок 5 мм. Існують: тіньовий, імпульсний, резонансний, структурний аналіз, візуалізація, - п'ять методів ультразвукової дефектоскопії.

Найпростіший метод - тіньова ультразвукова дефектоскопія, цей метод будується на ослабленні ультразвукової хвилі, коли вона наштовхується на дефект при проходженні крізь деталь, оскільки дефект створює ультразвукову тінь. Працюють два перетворювачі: перший випромінює хвилю, другий – приймає.

Даний метод малочутливий, дефект виявляється лише у випадку, якщо його вплив змінює сигнал щонайменше на 15%, до того ж не можна визначити глибину, де в деталі знаходиться дефект. Точніші результати дає імпульсний ультразвуковий метод, він показує ще й глибину.

Метод ультразвукової дефектоскопії металів та інших матеріалів вперше був розроблений та практично здійснений у Радянському Союзі у 1928-1930 рр. проф. С. Я. Соколовим.

Ультразвукові хвилі є пружними коливаннями матеріального середовища, частота яких лежить за межами чутності в діапазоні від 20 кгц (хвилі низької частоти) до 500 МГц (хвилі високої частоти).

Ультразвукові коливання бувають поздовжні та поперечні. Якщо частинки середовища переміщуються паралельно до напряму поширення хвилі, то така хвиля є поздовжньою, якщо перпендикулярно-поперечною. Для відшукання дефектів у зварних швах використовують в основному поперечні хвилі, спрямовані під кутом до поверхні деталей, що зварюються.

Ультразвукові хвилі здатні проникати в матеріальні середовища на велику глибину, заломлюючись і відбиваючись при попаданні на кордон двох матеріалів з різною звуковою проникністю. Саме ця здатність ультразвукових хвиль використовується в ультразвуковій дефектоскопії зварних з'єднань.

Ультразвукові коливання можуть поширюватися в різних середовищах - повітрі, газах, дереві, металі, рідинах.

Швидкість поширення ультразвукових хвиль C визначають за такою формулою:

де f – частота коливань, гц; λ - довжина хвилі, див.

Для виявлення дрібних дефектів у зварних швах слід користуватися короткохвильовими ультразвуковими коливаннями, оскільки хвиля, довжина якої більша за розмір дефекту, може не виявити його.

Отримання ультразвукових хвиль

Ультразвукові хвилі отримують механічним, термічним, магнітострикційним (Магнітострикція - зміна розмірів тіла при намагнічуванні) та п'єзоелектричним (Приставка «п'єзо» означає «тиснути») способами.

Найбільш поширеним є останній спосіб, заснований на п'єзоелектричному ефекті деяких кристалів (кварцу, сегнетової солі, титанату барію): якщо протилежні грані пластинки, вирізаної з кристала, заряджати різноїменною електрикою з частотою вище 20 000 гц, то в такт змін знаків зарядів , Передаючи механічні коливання в довкілля у вигляді ультразвукової хвилі. Таким чином електричні коливання перетворюються на механічні.

У різних системах ультразвукових дефектоскопів застосовують генератори високої частоти, що задають на п'єзоелектричні пластинки електричні коливання від сотень тисяч до кількох мільйонів герц.

П'єзоелектричні пластинки можуть бути не тільки випромінювачами, а й приймачами ультразвуку. В цьому випадку під дією ультразвукових хвиль на гранях кристалів-приймачів виникають електричні заряди малої величини, які реєструються спеціальними підсилювальними пристроями.

Методи виявлення дефектів ультразвуком

Існують в основному два методи ультразвукової дефектоскопії: тіньовий та ехо-імпульсний (метод відбитих коливань.)

Мал. 41. Схеми проведення ультразвукової дефектоскопії а – тіньовим; б - луна імпульсним методом; 1 - щуп-випромінювач; 2 – досліджувана деталь; 3 - щуп приймач; 4 – дефект

При тіньовому методі (рис. 41 а) ультразвукові хвилі, що йдуть через зварний шов від джерела ультразвукових коливань (щупа-випромінювача), при зустрічі з дефектом не проникають через нього, так як межа дефекту є межею двох різнорідних середовищ (метал - шлак або метал – газ). За дефектом утворюється область так званої звукової тіні. Інтенсивність ультразвукових коливань, прийнятих щупом-приймачем, різко знижується, а зміна величини імпульсів на екрані електронно-променевої трубки дефектоскопа вказує на наявність дефектів. Цей метод має обмежене застосування, оскільки необхідний двосторонній доступ до шва, а деяких випадках потрібно знімати посилення шва.

При луна-імпульсному методі (рис. 41,6) щуп-випромінювач посилає через зварний шов імпульси ультразвукових хвиль, які при зустрічі з дефектом відбиваються від нього і вловлюються щупом-приймачем. Ці імпульси фіксуються на екрані електроннопроменевої трубки дефектоскопа у вигляді піків, що свідчать про дефект. Вимірюючи час від моменту посилки імпульсу до прийому зворотного сигналу, можна визначити глибину залягання дефектів. Основна перевага цього методу полягає в тому, що контроль можна проводити при односторонньому доступі до зварного шва без зняття посилення або попередньої обробки шва. Цей метод отримав найбільше застосування при ультразвуковій дефектоскопії зварних швів.

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 виробляють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів з 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 як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, в 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 належать 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 на механічне коливання твердого тіла, яке випромінює в довкілля акустичні хвилі.

Свисток Гальтона

Перший ультразвуковий свисток зробив 1883 року 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, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища до іншого. 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 прямує 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 зроблено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску, що обертається всередині камери - роторі. 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. Однак 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 в 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 у ділянці шийного відділу - 0,2-0,4 Вт/см2., у ділянці 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 за фрезерний верстат і обробляти ним металеві деталі дешевше і 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 деталь вже піддають гартуванню. 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 виготовляє абразив (наждак, корундовий порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно вагаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблений сплав 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, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може зашкодити 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 відноситься кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль грає кавітація. Її бульбашки, виникаючи і плескаючись 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 частинок 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 в 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 розвивається напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.

Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, яке здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрів яких утруднений, або при з'єднанні різнорідних металів або металів з 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- це звукові хвилі, які мають частоту не сприймаються людським вухом, як правило, частотою понад 20 000 герц.

У природному середовищі ультразвук може генеруватися у різних природних шумах (водоспад, вітер, дощ). Багато представників фауни використовують ультразвук для орієнтування в просторі (кажани, дельфіни, кити)

Джерела ультразвуку можна поділити на дві великі групи.

1. Випромінювачі-генератори - коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку - струменя газу або рідини.
2. Електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму на механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в довкілля акустичні хвилі.

Наука про ультразвук відносно молода. Наприкінці 19 століття російський учений – фізіолог П. М. Лебедєв вперше провів дослідження ультразвуку.

В даний час застосування ультразвуку досить велике. Так як ультразвук досить легко направити концентрованим «пучком», його застосовують у різних областях: при цьому застосування засноване на різних властивостях ультразвуку.

Умовно можна виділити три напрямки використання ультразвуку:

1. Передача та обробка сигналів
2. Отримання за допомогою УЗ хвиль різної інформації
3. Вплив ультразвуку на речовину.

У цій статті ми торкнемося лише малу частину можливостей застосування УЗ.

1. Медицина. УЗ використовується як у стоматології, так і в хірургії, а також застосовуються для ультразвукових досліджень внутрішніх органів.
2. Очищення за допомогою ультразвуку. Особливо це демонструється на прикладі центру ультрозвукового обладнання ПСБ-Галс. Зокрема можна розглянути застосування ультразвукових ванн http://www.psb-gals.ru/catalog/usc.html , які використовуються для очищення, змішування, перемішування, подрібнення, дегазації рідин, прискорення хімічних реакцій, екстракції сировини, отримання стійких емульсій та так далі.
3. Обробка крихких або надтвердих матеріалів. Перетворення матеріалів відбувається за допомогою безлічі мікроударів

Це лише найменша частина використання ультразвукових хвиль. Якщо вам цікаво – залишайте коментарі та ми розкриємо тему докладніше.

Три основні напрями застосування ультразвуку в медицині – це ультразвукова діагностика, «ультразвуковий скальпель» та ультразвукова фізіотерапія. Почнемо розповідь із двох останніх.

«Ультразвуковий скальпель» використовують насамперед там, де необхідний точний та обмежений вплив, де кожен зайвий міліметр зруйнованої тканини може спричинити важкі наслідки, як, наприклад, при хірургічному лікуванні очних хвороб, при пластичних операціях обличчя тощо. Фокусування ультразвуку в невеликій за розмірами заданої області дає можливість впливати на глибоко розташовані структури організму. Це особливо важливо при проведенні нейрохірургічних операцій на головному мозку, при операціях руйнування додаткових провідних шляхів серця. Зі збільшенням частоти ультразвуку його дія гранично локалізується. Наприклад, при частоті 4 мГц можна руйнувати ділянку тканини об'ємом всього 0,05 мм куб., причому навколишні тканини залишаються непошкодженими.

Для лікування очних хвороб ультразвук вперше застосували медики в Одеському НДІ очних хвороб та тканинної терапії ім. В. П. Філатова, відомому розробкою низки нових методів лікування помутніння рогівки, катаракти травматичного походження, відшарування сітківки та ін Низькочастотний ультразвук частотою 20-40 кГц був використаний для розширення слізного каналу, а також при операціях на рогівці.

Операцію при катаракті (помутнінні кришталика) зазвичай роблять лише після її дозрівання, коли зір вже втрачено повністю. У природних умовах цей процес інколи триває роками. «Озвучування» ультразвуком прискорює його до кількох хвилин, що дозволяє провести операцію в більш ранні терміни та з найкращими результатами. Для проведення цієї операції було розроблено оригінальний ультразвуковий інструмент у вигляді пустотілої голки товщиною 1 мм, укладеної в тонку силіконову оболонку та з'єднану з ультразвуковим генератором. Спостерігаючи мікроскоп за рухом голки, хірург підводить її впритул до кришталика і включає ультразвук. Під дією ультразвуку за кілька хвилин помутнілий кришталик розріджується. Рідина, що утворюється, вимивається з капсули дезінфікуючим розчином, що надходить через зазор між голкою і її футляром, і відсмоктується через внутрішній канал голки. Перебіг післяопераційного періоду після такої операції значно скорочується.

Фокусований ультразвук був застосований для того, щоб затримати відшарування сітківки, що загрожує сліпотою. Його спрямована дія в декількох точках фіксує сітківку до тканин, що підлягають. У багатьох випадках ультразвук допомагає уникнути операції при глаукомі. Основний симптом при цьому захворюванні – підвищення внутрішньоочного тиску. Склер очі «озвучують» ультразвуком в декількох точках, після чого внутрішньоочний тиск знижується. За даними американських лікарів, цей метод ефективний у 80% випадків.

Руйнівну дію ультразвуку використовують для видалення тромбів з великих судин. Через отвір, зроблений спеціальною голкою, хірург вводить у посуд тонкий ультразвуковий хвилевід і обережно просуває його до тромба. Після 10-12 з «озвучування» тромб перестає існувати, а з просвіту судини вимивають рідкий вміст, що утворився, і відсмоктують його через ту ж голку. Інструмент виймають, а отвір «запаюють» ультразвуковим зварним швом.

Застосовують ультразвук при хірургічному лікуванні захворювань вуха, горла, носа. Операції з видалення набряклих тканин хронічно запаленої слизової оболонки носа та з виправлення викривлення носової перегородки роблять у більшості випадків за допомогою скальпеля, долота та молотка. Згодом розробили ультразвукову апаратуру для цієї операції. Ультразвуковий інструмент дозволив проводити її безкровно, майже безболісно і до того ж набагато швидше. Та ж група російських медиків розробила ультразвуковий скальпель для трахеотомії (розсічення трахеї). Цю операцію проводять зазвичай за життєвими показаннями - при раптово настала задуха. Тут дорога кожна мить, а застосування ультразвуку дозволяє заощадити цілих 10 хвилин.

На думку багатьох медиків, ультразвуковий метод, безперечно, розширює можливості хірургічного лікування хворих з різною патологією легень та плеври. Лікарі проводять операції на грудній клітці за допомогою ультразвуку. Ультразвуковий інструмент розрізає та з'єднує грудину, ребра, бронхи, бужує звужені артерії. У практику впроваджуються довгі гнучкі ультразвукові хвилеводи для маніпуляцій на трахеї та бронхах, розроблені вперше у світі групою радянських вчених. Проводяться експериментальні дослідження щодо з'єднання лоткової тканини та закриття кукси бронха за допомогою ультразвуку.

Вчені розробили та застосували метод ультразвукового різання та з'єднання кісткової тканини за допомогою ультразвукового зварювання – спочатку у численних дослідах на тваринах, а пізніше і в клініці. Щоб різати кістку звичайною пилкою, треба відшарувати від неї м'які тканини на досить великому протязі, а для ультразвукової пили достатньо отвору в м'яких тканинах діаметром 1 см. Це має особливе значення при трепанації черепа, резекції ребер та ін.

Метод ультразвукового наплавлення кісткової тканини полягає в тому, що порожнину, що утворилася в кістки після видалення патологічного вогнища, заповнюють кістковою стружкою, яку просочують спеціальним матеріалом присадки і «озвучують» ультразвуком. Після «озвучування» вся ця маса перетворюється на конгломерат, міцно спаяний із кісткою. Також ультразвук застосовується для з'єднання тканин печінки, селезінки, ендокринних залоз.

Вже багато років ультразвукові апарати використовують у стоматології для зняття зубного каменю, а останні роки – також для лікування карієсу та його ускладнень. Між робочим кінцем ультразвукового вібратора та зубом поміщають абразив (зважений у воді порошок окису алюмінію, бору тощо). Частинки абразиву, ударяючись об тканину зуба, поступово знімають із неї шар за шаром. Отримана порожнина відтворює форму кінця вібратора. Її стіни гладко відполіровані. Якість пломбування також краща, оскільки під впливом «озвучування» змінюється структура та підвищується щільність пломбувального матеріалу. Ультразвукове лікування зуба безшумне. Виділення тепла, а значить, і нагрівання зуба при ньому слабше, ніж при свердлінні бором, що обертається. Тому болючі відчуття у більшості пацієнтів відсутні або мінімальні. В даному випадку ця безперечна перевага ультразвуку обертається його недоліком. При практично безболісному ультразвуковому лікуванні пульпіту лікареві важко визначити момент наближення до нерва. Тому ультразвукові бормашини можуть використовувати лише досвідчені фахівці.

Дрібна дія ультразвуку може бути використана і для руйнування каменів сечоводу. Ультразвуковий інструмент дробить камінь за 5-60 с, залежно від розмірів та щільності каменю.

Ультразвуковий скальпель ні за виглядом, ні за принципом дії не схожий на хірургічний. Зовні він нагадує мініатюрну двоступінчасту ракету, яка легко вміщується у руці. Перший її ступінь містить ультразвуковий вібратор, дія якого заснована на принципі магнітострикції (від латинського слова "стрикціо" - стиск).

Суть явища магнітострикції полягає в тому, що деякі метали, потрапляючи в магнітне поле, змінюють геометричні розміри. Якщо на стрижень з такого феромагнітного матеріалу намотати мідний дріт і пропустити через нього змінний струм із частотою, що відповідає частотам ультразвуку, то стрижень із тією самою частотою змінюватиме свої розміри. Оскільки амплітуда змін розмірів вібратора дуже мала, то її посилення призначений концентратор ультразвуку (другий ступінь «ракети»). Концентратор звужується від основи до верхівки, розмах коливань якої в десятки разів більше, ніж у основи, що змінює положення разом з вібратором. Амплітуда коливань верхівки концентратора досягає 50-60 мк, а частота – 25-50 кГц. Ультразвуковий скальпель працює як гостра мікропила. За рахунок енергії ультразвукових коливань він поділяє тканину на межах контакту клітинних мембран, майже не пошкоджуючи самих клітин, що сприяє кращому і швидше загоєнню. Злегка повернувши інструмент і тим самим змінивши напрямок ультразвукового променя, можна змінити напрямок розрізу без розширення оперативного доступу. При розсіченні тканини ультразвук зупиняє капілярну кровотечу. Важливо також те, що застосування ультразвуку помітно знижує болючість хірургічного втручання.

Хірургічна ультразвукова техніка нині входить до арсеналу практичної медицини. Вона використовується поряд із традиційними хірургічними інструментами, електрокоагуляційними, лазерними та іншими методами, з урахуванням особливостей захворювання, показань та протипоказань. У міру вдосконалення та збільшення випуску ультразвукової апаратури для хірургічних втручань впровадження її у практику розширюватиметься.

Фізичні явища, що виникають при впливі ультразвуку на рідини, були покладені в основу нової методики лікування ран, розробленої російськими вченими. У рану вводять розчини антибіотиків або антисептиків, які озвучують за допомогою ультразвукового хвилеводу. Озвучена рідина видаляє омертвілі тканини, виробляє масаж ранової поверхні, покращує кровообіг у ній. Поліпшується і дифузія лікарських речовин, зменшуються хворобливі відчуття при перев'язці, знижується бактеріальна забрудненість рани, що сприяє більш швидкому та гладкому загоєнню. Помітно скорочуються терміни лікування таких хворих у стаціонарі.

Окремим напрямком застосування ультразвуку у медицині є ультразвукова фізіотерапія.

Механізм фізіологічної дії лікувального ультразвуку на тканині живого організму поки що не повністю з'ясований. Прийнято розрізняти три основні фактори впливу ультразвуку: механічний, тепловий та фізико-хімічний. Механічна дія полягає у вібраційному мікромасажі тканин на клітинному та субклітинному рівнях, що підвищує проникність клітинних мембран та обмін речовин у клітинах та тканинах організму. Теплова дія ультразвуку при його малих інтенсивностях, які застосовуються з лікувальною метою, незначна. Тепло може накопичуватися в основному в тканинах, що найбільше поглинають ультразвукову енергію (нервовий, кістковий), а також межах середовищ з різним акустичним опором (на межі кістки з м'якими тканинами) та в місцях з недостатнім кровообігом.

Фізико-хімічна дія ультразвуку пов'язана головним чином про те, що застосування акустичної енергії викликає механічний резонанс у речовині живих тканин. При цьому прискорюється рух молекул, посилюється їхній розпад на іони, змінюється електричний стан клітин та навколоклітинної рідини, утворюються нові електричні поля, посилюється дифузія через біологічні мембрани, активізуються обмінні процеси,

При впливі ультразвуку на шкіру покращується її бар'єрно-захисна функція, посилюється діяльність потових і сальних залоз, активізуються процеси регенерації. Цікаво, що чутливість шкіри різних областей тіла до ультразвуку неоднакова: в області обличчя та живота вона вища, ніж у ділянці кінцівок.

При дії ультразвуку на нервову систему потужністю 0,5 Вт/см кв. збільшується швидкість проведення збудження по нервових волокнах, а за більш високої інтенсивності - 1 Вт/см кв. - Вона зменшується. Ультразвук помірної інтенсивності має протиспазматичну дію - він знімає спазми бронхів, жовчо- та сечовивідних шляхів, кишок, посилює сечовиділення. Під його впливом нормалізується тонус судин та покращується кровопостачання тканин, підвищується засвоєння ними кисню.

Ультразвук застосовують для лікування хронічного тонзиліту. Уражені мигдалики «озвучують» ультразвуком малої інтенсивності, завдяки чому знижується активність хвороботворних мікроорганізмів, покращується харчування тканин, активізуються імунобіологічні процеси. У результаті таке амбулаторне лікування допомагає зберегти мигдалики, які відіграють у захисних реакціях організму. Ростовські медики розробили оригінальну методику ультразвукового масажу очей. На око хворого після закапування знеболювального препарату накладають рамку-кільце і включають ультразвук. Після десятка сеансів такого ультразвукового масажу у хворих із початковою формою глаукоми внутрішньоочний тиск нормалізується.

У гінекології ультразвук використовують на лікування ерозії шийки матки. Вже після двох-трьох ультразвукових процедур, що проводяться з проміжком 1-2 дні, ерозія починала гоїтися, а через місяць у більшості хворих вона повністю зникала.

Однією із спеціалізацій ультразвукової терапії стає лікування аденоми передміхурової залози. Цьому захворюванню схильні чоловіки переважно похилого віку. Лікування та більшості випадків оперативне. Застосування ультразвукової терапії при аденомі передміхурової залози та простатиту дає добрий результат: після кількох процедур у хворих майже повністю зник біль, нормалізувалося сечовипускання, покращився загальний стан. «Озвучування», проведене після операції видалення залози, сприяє кращому перебігу післяопераційного періоду.

Найбільш широко використовують ультразвукову терапію при остеохондрозі, артрозі, радикуліті та інших захворюваннях периферичної нервової системи та опорно-рухового апарату.

Ультразвукове лікування не рекомендується застосовувати при гострих інфекційних захворюваннях, стенокардії, аневризмі серця, гіпертонічній хворобі ІІ Б та ІІІ стадій, хворобах крові, схильності до кровотеч, а також при вагітності. Раніше до протипоказань відносили також наявність злоякісних пухлин. Але останнім часом вивчається питання про застосування ультразвукової терапії для лікування як окремо, так і в поєднанні з рентгенотерапією.

Іноді ультразвук застосовують у поєднанні з різними лікарськими речовинами. Цей метод названий фонофорез, хоча правильніше було б назвати його ультрафонофорез. В основі методу лежить підвищення проникності шкіри, слизових оболонок, клітинних мембран та покращення місцевої мікроциркуляції під впливом ультразвуку. Все це допомагає введенню низки лікарських речовин через шкіру та слизові.

В даний час застосовують фонофорез багатьох лікарських препаратів, таких як гідрокортизон, анальгін, аміназин, інтерферон, компламін, гепарин, екстракт алое, ФіБС, цілий ряд антибіотиків та ін. Разом з тим було встановлено, що деякі лікарські речовини, наприклад, еуфілін, аскорбінова кислота, тіамін (вітамін B1) та інші при «озвучуванні» ультразвуком або не проникають в організм, або руйнуються. Іноді при фонофорезі спочатку озвучують шкіру або слизову оболонку ультразвуком, а потім після видалення контактного середовища наносять лікарську речовину як примочки або мазі. Але найчастіше процедура проводиться так само, як звичайне ультразвукове опромінення. Лікарські речовини попередньо накладають на поверхню шкіри чи слизової оболонки у вигляді водного розчину, емульсії чи мазі. Вони також виконують роль контактного середовища при озвучуванні. При фонофорезі, так само як і при «озвучуванні» без застосування ліків, використовують дві методики: стабільну та лабільну. При першій вібратор під час процедури залишається нерухомим, при другій – він повільно пересувається поверхнею шкіри або слизовою оболонкою.

В останні роки вивчаються можливості застосування ультрафонопунктури, фокусованого ультразвуку, біокерованого та біосинхронізованого ультразвукового впливу. Сфера застосування ультразвукової терапії продовжує розширюватись.