13. Acoustique(du grec ἀκούω (akuo) - entendre) - la science du son, étudiant la nature physique du son et les problèmes associés à son apparition, sa distribution, sa perception et son impact. L'acoustique est l'un des domaines de la physique (mécanique) qui étudie les vibrations et les ondes élastiques depuis les fréquences les plus basses (classiquement de 0 Hz) jusqu'aux hautes fréquences.

L'acoustique est une science interdisciplinaire qui utilise un large éventail de disciplines pour résoudre ses problèmes : mathématiques, physique, psychologie, architecture, électronique, biologie, médecine, hygiène, solfège et autres.

Parfois (dans la vie de tous les jours) sous acoustique comprendre également un système acoustique - un appareil électrique conçu pour convertir un courant à fréquence variable en vibrations sonores à l'aide d'une conversion électro-acoustique. Le terme acoustique s’applique également pour désigner les propriétés vibratoires associées à la qualité de propagation du son dans n’importe quel système ou n’importe quelle pièce, par exemple « bonne acoustique d’une salle de concert ».

Le terme « acoustique » (français) acoustique) a été introduit en 1701 par J. Sauveur.

Ton en linguistique, utilisation de la hauteur pour distinguer le sens des mots/morphèmes. Le ton doit être distingué de l'intonation, c'est-à-dire des changements de hauteur sur un segment de parole relativement long (énoncé ou phrase). Diverses unités tonales qui ont une fonction sémantique et distinctive peuvent être appelées tonalités (par analogie avec un phonème).

Le ton, comme l'intonation, la phonation et l'accent, fait référence à des caractéristiques suprasegmentaires ou prosodiques. Les porteurs de ton sont le plus souvent des voyelles, mais il existe des langues où les consonnes, le plus souvent des sonantes, peuvent aussi jouer ce rôle.

Une langue tonale, ou tonale, est une langue dans laquelle chaque syllabe est prononcée avec un ton spécifique. Une variété de langues tonales sont également des langues avec accentuation musicale, dans lesquelles une ou plusieurs syllabes d'un mot sont accentuées et différents types d'accentuation contrastent avec les caractéristiques tonales.

Les contrastes de tons peuvent être combinés avec ceux de phonation (c'est le cas de nombreuses langues d'Asie du Sud-Est).

Bruit- des oscillations aléatoires de natures physiques diverses, caractérisées par la complexité de leur structure temporelle et spectrale. A l'origine le mot bruit fait référence exclusivement aux vibrations sonores, mais dans la science moderne, il a été étendu à d'autres types de vibrations (radio, électricité).

Bruit- un ensemble de sons apériodiques d'intensité et de fréquence variables. D'un point de vue physiologique, le bruit est tout son perçu défavorablement.

Acoustique, boom sonore- c'est le son associé aux ondes de choc créées par le vol supersonique d'un avion. Un bang sonique crée une énorme quantité d’énergie sonore, semblable à une explosion. Le bruit d’un fouet est un exemple clair de boom acoustique. C’est le moment où l’avion franchit le mur du son, puis, franchissant sa propre onde sonore, il crée un son puissant et instantané qui se propage sur les côtés. Mais dans l'avion lui-même, il n'est pas audible, car le son est « en retard » sur lui. Le son ressemble au tir d'un canon super puissant, secouant tout le ciel, et il est donc recommandé aux avions supersoniques de passer à une distance supersonique des villes afin de ne pas déranger ou effrayer les citoyens.

Paramètres physiques du son

Vitesse oscillatoire mesuré en m/s ou cm/s. En termes d'énergie, les systèmes oscillatoires réels se caractérisent par un changement d'énergie dû à une dépense partielle de travail contre les forces de frottement et le rayonnement dans l'espace environnant. Dans un milieu élastique, les vibrations s'éteignent progressivement. Pour les caractéristiques oscillations amorties Le coefficient d'amortissement (S), le décrément logarithmique (D) et le facteur de qualité (Q) sont utilisés.

Coefficient d'atténuation reflète la vitesse à laquelle l'amplitude diminue au fil du temps. Si l'on note le temps pendant lequel l'amplitude diminue de e = 2,718 fois, alors :

La diminution de l'amplitude par cycle est caractérisée par un décrément logarithmique. Le décrément logarithmique est égal au rapport de la période d'oscillation sur le temps d'amortissement :

Si un système oscillatoire avec pertes est soumis à une force périodique, alors oscillations forcées , dont la nature répète à un degré ou à un autre les changements des forces extérieures. La fréquence des oscillations forcées ne dépend pas des paramètres du système oscillatoire. Au contraire, l'amplitude dépend de la masse, de la résistance mécanique et de la flexibilité du système. Ce phénomène, lorsque l'amplitude de la vitesse oscillatoire atteint sa valeur maximale, est appelé résonance mécanique. Dans ce cas, la fréquence des oscillations forcées coïncide avec la fréquence des oscillations naturelles non amorties du système mécanique.

À des fréquences d'impact nettement inférieures à celles de résonance, la force harmonique externe est équilibrée presque exclusivement par la force élastique. Aux fréquences d'excitation proches de la résonance, les forces de frottement jouent le rôle principal. À condition que la fréquence de l'influence externe soit nettement supérieure à celle de résonance, le comportement du système oscillatoire dépend de la force d'inertie ou de la masse.

La capacité d’un milieu à conduire l’énergie acoustique, y compris l’énergie ultrasonique, est caractérisée par la résistance acoustique. Impédance acoustique L'environnement est exprimé par le rapport entre la densité sonore et la vitesse volumétrique des ondes ultrasonores. La résistance acoustique spécifique d'un milieu est déterminée par le rapport entre l'amplitude de la pression acoustique dans le milieu et l'amplitude de la vitesse de vibration de ses particules. Plus la résistance acoustique est grande, plus le degré de compression et de raréfaction du milieu est élevé pour une amplitude de vibration donnée des particules du milieu. Numériquement, la résistance acoustique spécifique du milieu (Z) se trouve comme le produit de la densité du milieu () et de la vitesse (c) de propagation des ondes ultrasonores dans celui-ci.

L'impédance acoustique spécifique est mesurée en pascal-deuxième sur mètre(Pa s/m) ou dyne s/cm³ (GHS) ; 1 Pa.s/m = 10 −1 dynes/cm³.

La valeur de la résistance acoustique spécifique d'un milieu est souvent exprimée en g/s cm², avec 1 g/s cm² = 1 dyne s/cm³. L'impédance acoustique d'un milieu est déterminée par l'absorption, la réfraction et la réflexion des ondes ultrasonores.

Son ou pression acoustique dans un milieu est la différence entre la valeur instantanée de la pression en un point donné du milieu en présence de vibrations sonores et la pression statique au même point en leur absence. En d’autres termes, la pression acoustique est une pression variable dans un milieu provoquée par des vibrations acoustiques. La valeur maximale de la pression acoustique variable (amplitude de pression) peut être calculée grâce à l'amplitude de vibration des particules :

où P est la pression acoustique maximale (amplitude de pression) ;

À une distance de la moitié de la longueur d'onde (λ/2), la valeur d'amplitude de la pression passe de positive à négative, c'est-à-dire que la différence de pression en deux points espacés l'un de l'autre de λ/2 le long du trajet de propagation de l'onde est égale à 2P.

Pour exprimer la pression acoustique en unités SI, le Pascal (Pa) est utilisé, égal à une pression d'un newton par mètre carré (N/m²). La pression acoustique dans le système SGS est mesurée en dyn/cm² ; 1 dyne/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Outre les unités indiquées, des unités de pression non systémiques sont souvent utilisées : atmosphère (atm) et atmosphère technique (at), avec 1 atm = 0,98·10 6 dynes/cm² = 0,98·10 5 N/m². Parfois, une unité appelée barre ou microbar (barre acoustique) est utilisée ; 1 barre = 10 6 dynes/cm².

La pression exercée sur les particules du milieu lors de la propagation des ondes est le résultat de l'action de forces élastiques et d'inertie. Ces dernières sont provoquées par des accélérations dont l'ampleur augmente également pendant la période allant de zéro au maximum (valeur d'amplitude de l'accélération). De plus, au cours de la période, l'accélération change de signe.

Les valeurs maximales d'accélération et de pression qui surviennent dans un milieu lorsque des ondes ultrasonores le traversent ne coïncident pas dans le temps pour une particule donnée. Au moment où la différence d'accélération atteint son maximum, la différence de pression devient nulle. La valeur d'amplitude de l'accélération (a) est déterminée par l'expression :

Si les ondes ultrasonores se propagent face à un obstacle, elles subissent non seulement une pression variable, mais également une pression constante. Les zones de condensation et de raréfaction du milieu qui apparaissent lors du passage des ondes ultrasonores créent des changements supplémentaires de pression dans le milieu par rapport à la pression externe qui l'entoure. Cette pression externe supplémentaire est appelée pression de rayonnement (pression de rayonnement). C'est la raison pour laquelle, lorsque les ondes ultrasonores traversent la frontière entre un liquide et l'air, des fontaines de liquide se forment et des gouttelettes individuelles se séparent de la surface. Ce mécanisme a trouvé une application dans la formation d'aérosols de substances médicinales. La pression de rayonnement est souvent utilisée pour mesurer la puissance des vibrations ultrasoniques dans des compteurs spéciaux - balances à ultrasons.

Intensitéson (absolu) - une valeur égale au rapport flux d'énergie sonore DPà travers une surface perpendiculaire à la direction de propagation son, sur la place DS cette surface :

Unité - watt par carré mètre(W/m2).

Pour une onde plane, l'intensité sonore peut être exprimée en termes d'amplitude pression sonore p 0 Et vitesse oscillatoire v:

,

Où Z S - environnement.

Le volume sonore est une caractéristique subjective qui dépend de l'amplitude, et donc de l'énergie de l'onde sonore. Plus l’énergie est grande, plus la pression de l’onde sonore est élevée.

Le niveau d'intensité est une caractéristique objective du son.

L'intensité est le rapport entre la puissance acoustique incidente sur une surface et la superficie de cette surface. Elle se mesure en W/m2 (watts par mètre carré).

Le niveau d'intensité détermine combien de fois l'intensité sonore est supérieure à l'intensité minimale perçue par l'oreille humaine.

Étant donné que la sensibilité minimale perçue par une personne, 10 -12 W/m2, diffère de la sensibilité maximale, qui provoque de la douleur - 1013 W/m2, de plusieurs ordres de grandeur, le logarithme du rapport entre l'intensité sonore et l'intensité minimale est utilisé.

Ici k est le niveau d'intensité, I est l'intensité sonore, I 0 est l'intensité sonore minimale perçue par une personne ou intensité seuil.

La signification du logarithme dans cette formule est si l'intensité I change d'un ordre de grandeur, alors le niveau d'intensité change d'unité.

L'unité de niveau d'intensité est 1 B (Bell). 1 Bell - un niveau d'intensité 10 fois supérieur au seuil.

En pratique, le niveau d’intensité se mesure en dB (décibells). Ensuite, la formule de calcul du niveau d'intensité est réécrite comme suit :

Pression sonore- redondance variable pression, apparaissant dans un milieu élastique lors de son passage onde sonore. Unité - pascal(Pennsylvanie).

La valeur instantanée de la pression acoustique en un point du milieu change à la fois avec le temps et lors du déplacement vers d'autres points du milieu, donc la valeur efficace de cette quantité, associée à intensité sonore:

Où - intensité sonore, - pression sonore, - impédance acoustique spécifique environnement, - la moyenne du temps.

Lorsqu'on considère les oscillations périodiques, l'amplitude de la pression acoustique est parfois utilisée ; donc, pour une onde sinusoïdale

où est l'amplitude de la pression acoustique.

Niveau de pression acoustique (Anglais SPL, niveau de pression acoustique) - mesuré par échelle relative valeur de la pression acoustique rapportée à la pression de référence = 20 μPa correspondant au seuil audibilité sinusoïdale onde sonore fréquence 1kHz :

dB.

Volume sonore- subjectif perception force son(valeur absolue de la sensation auditive). Le volume dépend principalement de pression sonore, amplitudes Et fréquences vibrations sonores. De plus, le volume d'un son est influencé par sa composition spectrale, sa localisation dans l'espace, son timbre, la durée d'exposition aux vibrations sonores et d'autres facteurs (voir. , ).

L'unité de l'échelle de sonie absolue est arrière-plan . Le volume d'un téléphone est le volume d'une tonalité sinusoïdale pure continue de fréquence 1. kHz, créant pression sonore 2 mPa.

Niveau sonore- valeur relative. Il s'exprime dans arrière-plans et est numériquement égal au niveau pression sonore(V. décibels- dB) produit par une onde sinusoïdale de fréquence 1 kHz le même volume que le son mesuré (intensité sonore égale au son donné).

Dépendance du niveau de volume sur la pression acoustique et la fréquence

La figure de droite montre une famille de courbes d'intensité sonore égale, également appelées isophones. Ce sont des graphiques standardisés (norme internationale OIN 226) dépendances du niveau de pression acoustique sur la fréquence à un niveau de volume donné. À l'aide de ce diagramme, vous pouvez déterminer le niveau de volume d'un son pur de n'importe quelle fréquence, en connaissant le niveau de pression acoustique qu'il crée.

Matériel de sonorisation

Par exemple, si une onde sinusoïdale d'une fréquence de 100 Hz crée un niveau de pression acoustique de 60 dB, alors en traçant des droites correspondant à ces valeurs sur le schéma, on retrouve à leur intersection une isophone correspondant à un niveau de volume de 50 von. Cela signifie que ce son a un niveau de volume de 50 fond.

L'isophone « 0 fond », indiqué par une ligne pointillée, caractérise seuil d'audition des sons de différentes fréquences pour un fonctionnement normal audience.

En pratique, ce qui intéresse souvent n'est pas le niveau de volume exprimé en arrière-plan, mais la valeur indiquant à quel point un son donné est plus fort qu'un autre. Une autre question intéressante est de savoir comment les volumes de deux tons différents s'additionnent. Ainsi, s'il y a deux tonalités de fréquences différentes avec un niveau de 70 fond chacune, cela ne signifie pas que le niveau de volume total sera égal à 140 fond.

Dépendance du volume au niveau de pression acoustique (et intensité sonore) est purement non linéaire

courbe, elle a un caractère logarithmique. Lorsque le niveau de pression acoustique augmente de 10 dB, le volume sonore augmente de 2 fois. Cela signifie que les niveaux de volume de 40, 50 et 60 von correspondent à des volumes de 1, 2 et 4 sones.

base physique de méthodes de recherche solides en clinique

Le son, comme la lumière, est une source d’information, et c’est là sa signification principale. Les sons de la nature, la parole des gens qui nous entourent, le bruit des machines en fonctionnement nous en disent long. Pour imaginer la signification du son pour une personne, il suffit de se priver temporairement de la capacité de percevoir le son - fermez vos oreilles. Bien entendu, le son peut également être une source d’informations sur l’état des organes internes d’une personne.

L'auscultation (écoute) est une méthode sonore courante pour diagnostiquer les maladies. Pour l'auscultation, un stéthoscope ou un phonendoscope est utilisé. Un phonendoscope est constitué d’une capsule creuse dotée d’une membrane de transmission du son appliquée sur le corps du patient, à partir de laquelle des tubes en caoutchouc vont jusqu’à l’oreille du médecin. Une résonance de la colonne d'air se produit dans la capsule creuse, ce qui entraîne une intensification du son et une amélioration de l'au-cultation. Lors de l'auscultation des poumons, des bruits respiratoires et diverses respirations sifflantes caractéristiques des maladies sont entendus. Par les modifications des bruits cardiaques et l'apparition de souffles, on peut juger de l'état de l'activité cardiaque. À l'aide de l'auscultation, vous pouvez déterminer la présence de péristaltisme de l'estomac et des intestins et écouter le rythme cardiaque fœtal.

Pour écouter simultanément un patient par plusieurs chercheurs à des fins pédagogiques ou lors d'une consultation, on utilise un système comprenant un microphone, un amplificateur et un haut-parleur ou plusieurs téléphones.

Pour diagnostiquer l'état de l'activité cardiaque, une méthode similaire à l'auscultation et appelée phonocardiographie (PCG) est utilisée. Cette méthode consiste à enregistrer graphiquement les bruits et souffles cardiaques et leur interprétation diagnostique. Un phonocardiogramme est enregistré à l'aide d'un phonocardiographe, composé d'un microphone, d'un amplificateur, d'un système de filtres de fréquence et d'un appareil d'enregistrement.

La percussion est fondamentalement différente des deux méthodes sonores décrites ci-dessus. Avec cette méthode, le son de différentes parties du corps est écouté lorsqu'elles sont tapées. Schématiquement, le corps humain peut être représenté comme un ensemble de volumes remplis de gaz (poumons), de liquide (organes internes) et de solide (os). Lorsque vous heurtez la surface d'un corps, des vibrations se produisent dont les fréquences ont une large gamme. A partir de cette plage, certaines vibrations s'atténueront assez rapidement, tandis que d'autres, coïncidant avec les vibrations naturelles des vides, s'intensifieront et, grâce à la résonance, seront audibles. Un médecin expérimenté détermine l'état et l'emplacement (tonographie) des organes internes par le ton des sons de percussion.

15. Infrasons(de lat. infra- en dessous, en dessous) - des ondes sonores ayant une fréquence inférieure à celle perçue par l'oreille humaine. Étant donné que l'oreille humaine est généralement capable d'entendre des sons dans la plage de fréquences comprise entre 16 et 20 000 Hz, 16 Hz est généralement considéré comme la limite supérieure de la plage de fréquences des infrasons. La limite inférieure de la plage des infrasons est classiquement définie à 0,001 Hz. Des oscillations de dixièmes et même de centièmes de hertz, c'est-à-dire avec des périodes de dizaines de secondes, peuvent présenter un intérêt pratique.

La nature de l'apparition des vibrations infrasonores est la même que celle du son audible, donc les infrasons sont soumis aux mêmes lois, et le même appareil mathématique est utilisé pour le décrire comme pour le son audible ordinaire (sauf pour les concepts liés au niveau sonore) . Les infrasons sont faiblement absorbés par le milieu et peuvent donc se propager à des distances considérables de la source. En raison de la très grande longueur d’onde, la diffraction est prononcée.

Les infrasons générés dans la mer sont considérés comme l'une des raisons possibles de la découverte de navires abandonnés par l'équipage (voir Triangle des Bermudes, Ghost Ship).

Infrason. L'effet des infrasons sur les objets biologiques.

Infrasons- processus oscillatoires avec des fréquences inférieures à 20 Hz. Infrasons– ne sont pas perçus par l’audition humaine.

Les infrasons ont un effet néfaste sur l'état fonctionnel de nombreux systèmes de l'organisme : fatigue, maux de tête, somnolence, irritation, etc.

On suppose que le principal mécanisme d’action des infrasons sur le corps est de nature résonnante.

Échographie, méthodes de sa production. Caractéristiques physiques et caractéristiques de la propagation des ondes ultrasonores. Interaction des ultrasons avec la matière. Cavitation. Applications des ultrasons : écholocation, dispersion, détection de défauts, découpe par ultrasons.

Échographie –(US) sont des vibrations mécaniques et des ondes dont les fréquences sont supérieures à 20 kHz.

Pour obtenir des ultrasons, des appareils appelés Ultrasons – émetteur. Le plus répandu émetteurs électromécaniques, basé sur le phénomène d'effet piézoélectrique inverse.

Par sa nature physique Ultrason représente ondes élastiques et en cela ce n'est pas différent de son. de 20 000 à un milliard de Hz. La caractéristique physique fondamentale des vibrations sonores est l’amplitude des ondes, ou amplitude de déplacement.

Ultrason dans les gaz et notamment dans l'air, il se propage avec une grande atténuation. Les liquides et les solides (en particulier les monocristaux) sont généralement de bons conducteurs. Ultrasons, atténuation, dans laquelle est nettement moindre. Par exemple, dans l’eau, l’atténuation des ultrasons, toutes choses égales par ailleurs, est environ 1 000 fois moindre que dans l’air.

Cavitation– la compression et la raréfaction créées par les ultrasons conduisent à la formation de discontinuités dans la continuité du liquide.

Application aux ultrasons :

Écholocation - une méthode par laquelle la position d'un objet est déterminée par le temps de retard du retour de l'onde réfléchie.

Dispersion - Broyage de solides ou de liquides sous l'influence de vibrations ultrasonores.

Détection de défauts - recherche défauts dans le matériau du produit en utilisant la méthode ultrasonique, c'est-à-dire en émettant et en recevant des vibrations ultrasoniques, et en analysant davantage leur amplitude, leur heure d'arrivée, leur forme, etc. à l'aide d'un équipement spécial - ultrasons détecteur de défauts.

Découpe par ultrasons- basé sur la transmission de vibrations mécaniques ultrasonores à l'outil de coupe, ce qui réduit considérablement l'effort de coupe, le coût des équipements et améliore la qualité des produits fabriqués (filetage, perçage, tournage, fraisage). La découpe par ultrasons est utilisée en médecine pour couper des tissus biologiques.

L'effet des ultrasons sur les objets biologiques. L'utilisation de l'échographie pour le diagnostic et le traitement. Chirurgie par ultrasons. Avantages des méthodes ultrasoniques.

Les processus physiques provoqués par l'influence des ultrasons provoquent les principaux effets suivants sur les objets biologiques.

Microvibrations au niveau cellulaire et subcellulaire ;

Destruction de biomacromolécules ;

Restructuration et endommagement des membranes biologiques, modifications de la perméabilité membranaire ;

Action thermique ;

Destruction des cellules et des micro-organismes.

Les applications biomédicales des ultrasons peuvent être principalement divisées en deux domaines : les méthodes de diagnostic et de recherche et les méthodes d'intervention.

Méthode diagnostique :

1) comprennent des méthodes de localisation et l’utilisation principalement de rayonnements pulsés.

Z : encéphalographie– détection de tumeurs et d’œdèmes cérébraux, cardiographie échographique– mesure de la taille du coeur en dynamique; en ophtalmologie – localisation par ultrasons pour déterminer la taille de la média oculaire. Grâce à l'effet Doppler, le schéma de mouvement des valvules cardiaques est étudié et la vitesse du flux sanguin est mesurée.

2) Le traitement comprend physiothérapie par ultrasons. Typiquement, le patient est exposé à une fréquence de 800 kHz.

Le principal mécanisme de la thérapie par ultrasons réside dans les effets mécaniques et thermiques sur les tissus.

Pour le traitement de maladies telles que l'asthme, la tuberculose, etc. J'utilise des aérosols de diverses substances médicinales obtenues par ultrasons.

Lors des opérations, les ultrasons sont utilisés comme un « scalpel à ultrasons », capable de couper aussi bien les tissus mous que les os. Actuellement, une nouvelle méthode a été développée pour « souder » les tissus osseux endommagés ou transplantés par ultrasons (ostéosynthèse par ultrasons).

Le principal avantage des ultrasons par rapport aux autres mutagènes (rayons X, rayons ultraviolets) est qu’ils sont extrêmement faciles à utiliser.

L'effet Doppler et son utilisation en médecine.

effet Doppler appeler le changement de fréquence des ondes perçu par un observateur (récepteur d'ondes) en raison du mouvement relatif de la source d'ondes et de l'observateur.

L'effet a été décrit pour la première foisChristian DopplerV1842 année.

L'effet Doppler est utilisé pour déterminer la vitesse du flux sanguin, la vitesse de mouvement des valvules et des parois du cœur (échocardiographie Doppler) et d'autres organes.

La manifestation de l'effet Doppler est largement utilisée dans divers dispositifs médicaux qui utilisent généralement des ondes ultrasonores dans la gamme de fréquences MHz.

Par exemple, les ondes ultrasonores réfléchies par les globules rouges peuvent être utilisées pour déterminer la vitesse du flux sanguin. De même, cette méthode peut être utilisée pour détecter les mouvements de la poitrine du fœtus, ainsi que pour surveiller à distance les battements cardiaques.

16. Ultrason- des vibrations élastiques d'une fréquence dépassant la limite d'audibilité pour l'homme. Habituellement, la gamme ultrasonique est considérée comme étant des fréquences supérieures à 18 000 hertz.

Bien que l’existence des ultrasons soit connue depuis longtemps, leur utilisation pratique est assez jeune. De nos jours, les ultrasons sont largement utilisés dans diverses méthodes physiques et technologiques. Ainsi, la vitesse de propagation du son dans un milieu permet de juger de ses caractéristiques physiques. Les mesures de vitesse aux fréquences ultrasonores permettent de déterminer, par exemple, les caractéristiques adiabatiques de processus rapides, la capacité thermique spécifique des gaz et les constantes élastiques des solides avec de très petites erreurs.

La fréquence des vibrations ultrasonores utilisées dans l'industrie et la biologie est de l'ordre de plusieurs MHz. De telles vibrations sont généralement créées à l’aide de transducteurs piézocéramiques en titanite de baryum. Dans les cas où la puissance des vibrations ultrasonores est primordiale, des sources ultrasonores mécaniques sont généralement utilisées. Initialement, toutes les ondes ultrasonores étaient reçues mécaniquement (diapasons, sifflets, sirènes).

Dans la nature, les ultrasons se retrouvent à la fois comme composants de nombreux bruits naturels (dans le bruit du vent, de la cascade, de la pluie, dans le bruit des cailloux roulés par les vagues, dans les sons accompagnant les décharges d'orage, etc.), et parmi les sons du monde animal. Certains animaux utilisent des ondes ultrasonores pour détecter les obstacles et naviguer dans l’espace.

Les émetteurs d'ultrasons peuvent être divisés en deux grands groupes. Le premier comprend les émetteurs-générateurs ; leurs oscillations sont excitées en raison de la présence d'obstacles sur le chemin d'un flux constant - un flux de gaz ou de liquide. Le deuxième groupe d'émetteurs est constitué de transducteurs électroacoustiques ; ils convertissent des fluctuations déjà données de tension ou de courant électrique en vibrations mécaniques d'un corps solide, qui émet des ondes acoustiques dans l'environnement.

Propriétés physiques des ultrasons

L'utilisation des ultrasons dans le diagnostic médical est associée à la possibilité d'obtenir des images d'organes et de structures internes. La méthode repose sur l’interaction des ultrasons avec les tissus du corps humain. L'acquisition d'images proprement dite peut être divisée en deux parties. La première est l'émission de courtes impulsions ultrasonores dirigées vers les tissus examinés et la seconde est la formation d'une image basée sur les signaux réfléchis. Comprendre le principe de fonctionnement d'une unité de diagnostic par ultrasons, la connaissance de la physique de base des ultrasons et de leur interaction avec les tissus du corps humain vous aideront à éviter une utilisation mécanique et irréfléchie de l'appareil et, par conséquent, à aborder le processus de diagnostic avec plus de compétence.

Le son est une onde mécanique longitudinale dans laquelle les vibrations des particules se situent dans le même plan que la direction de propagation de l'énergie (Fig. 1).

Riz. 1. Représentation visuelle et graphique des changements de pression et de densité dans une onde ultrasonore.

Une vague transporte de l'énergie, mais pas de la matière. Contrairement aux ondes électromagnétiques (lumière, ondes radio, etc.), le son nécessite un milieu pour se propager : il ne peut pas se propager dans le vide. Comme toutes les ondes, le son peut être décrit par un certain nombre de paramètres. Il s'agit de la fréquence, de la longueur d'onde, de la vitesse de propagation dans le milieu, de la période, de l'amplitude et de l'intensité. La fréquence, la période, l'amplitude et l'intensité sont déterminées par la source sonore, la vitesse de propagation est déterminée par le milieu et la longueur d'onde est déterminée à la fois par la source sonore et le milieu. La fréquence est le nombre d'oscillations complètes (cycles) sur une période de 1 seconde (Fig. 2).

Riz. 2. Fréquence des ondes ultrasoniques 2 cycles en 1 s = 2 Hz

Les unités de fréquence sont le hertz (Hz) et le mégahertz (MHz). Un hertz équivaut à une vibration par seconde. Un mégahertz = 1 000 000 hertz. Qu'est-ce qui rend le son « ultra » ? C'est la fréquence. La limite supérieure du son audible, 20 000 Hz (20 kilohertz (kHz)), est la limite inférieure de la plage ultrasonique. Les localisateurs de chauves-souris à ultrasons fonctionnent dans la plage de 25 à 500 kHz. Les appareils à ultrasons modernes utilisent des ultrasons d'une fréquence de 2 MHz et plus pour obtenir des images. La période est le temps nécessaire pour obtenir un cycle complet d'oscillations (Fig. 3).

Riz. 3. Période d'onde ultrasonore.

Les unités de période sont la seconde (s) et la microseconde (µsec). Une microseconde équivaut à un millionième de seconde. Période (µsec) = 1/fréquence (MHz). La longueur d'onde est la longueur qu'une vibration occupe dans l'espace (Fig. 4).

Riz. 4. Longueur d'onde.

Les unités de mesure sont le mètre (m) et le millimètre (mm). La vitesse des ultrasons est la vitesse à laquelle l'onde se propage dans un milieu. Les unités de vitesse de propagation des ultrasons sont les mètres par seconde (m/s) et les millimètres par microseconde (mm/µsec). La vitesse de propagation des ultrasons est déterminée par la densité et l'élasticité du milieu. La vitesse de propagation des ultrasons augmente avec l'augmentation de l'élasticité et la diminution de la densité du milieu. Le tableau 2.1 montre la vitesse de propagation des ultrasons dans certains tissus du corps humain.

Tableau 2.1. Vitesse de propagation des ultrasons dans les tissus mous
Textile	Vitesse de propagation des ultrasons en mm/µsec
Tissu adipeux
Tissus mous (moyenne)
Eau (20°C)

La vitesse moyenne de propagation des ultrasons dans les tissus du corps humain est de 1 540 m/s – la plupart des appareils de diagnostic par ultrasons sont programmés pour cette vitesse. La vitesse de propagation des ultrasons (C), la fréquence (f) et la longueur d'onde (λ) sont liées entre elles par l'équation suivante : C = f × λ. Puisque dans notre cas la vitesse est considérée comme constante (1540 m/s), les deux variables restantes f et λ sont liées entre elles par une relation inversement proportionnelle. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte et plus la taille des objets que nous pouvons voir est petite. Un autre paramètre environnemental important est l'impédance acoustique (Z). La résistance acoustique est le produit de la densité du milieu et de la vitesse de propagation des ultrasons. Résistance (Z) = densité (p) × vitesse de propagation (C).

Pour obtenir une image en diagnostic échographique, ce ne sont pas des ultrasons qui sont émis par un transducteur en continu (onde constante), mais des ultrasons émis sous forme d'impulsions courtes (pulse). Il est généré en appliquant de courtes impulsions électriques à l’élément piézoélectrique. Des paramètres supplémentaires sont utilisés pour caractériser les ultrasons pulsés. Le taux de répétition des impulsions est le nombre d'impulsions émises par unité de temps (seconde). La fréquence de répétition des impulsions est mesurée en hertz (Hz) et en kilohertz (kHz). La durée d'impulsion est la durée d'une impulsion (Fig. 5).

Riz. 5. Durée de l'impulsion ultrasonique.

Mesuré en secondes (s) et microsecondes (µsec). Le facteur d'occupation est la fraction de temps pendant laquelle les ultrasons sont émis (sous forme d'impulsions). L'extension d'impulsion spatiale (SPR) est la longueur de l'espace dans laquelle une impulsion ultrasonore est placée (Fig. 6).

Riz. 6. Étendue spatiale du pouls.

Pour les tissus mous, l’étendue spatiale de l’impulsion (mm) est égale au produit de 1,54 (vitesse de propagation des ultrasons en mm/µsec) et le nombre d’oscillations (cycles) de l’impulsion (n) divisé par la fréquence en MHz. Ou PPI = 1,54 × n/f. La réduction de l'étendue spatiale de l'impulsion peut être obtenue (ce qui est très important pour améliorer la résolution axiale) en réduisant le nombre d'oscillations de l'impulsion ou en augmentant la fréquence. L'amplitude de l'onde ultrasonore est l'écart maximum de la variable physique observée par rapport à la valeur moyenne (Fig. 7).

Riz. 7. Amplitude des ondes ultrasoniques

L'intensité des ultrasons est le rapport entre la puissance des vagues et la zone sur laquelle le flux ultrasonique est distribué. Elle se mesure en watts par centimètre carré (W/cm²). A puissance de rayonnement égale, plus la zone de flux est petite, plus l’intensité est élevée. L'intensité est également proportionnelle au carré de l'amplitude. Ainsi, si l’amplitude double, alors l’intensité quadruple. L'intensité n'est pas uniforme à la fois sur la zone d'écoulement et, dans le cas des ultrasons pulsés, dans le temps.

Lors du passage à travers n’importe quel milieu, il y aura une diminution de l’amplitude et de l’intensité du signal ultrasonore, appelée atténuation. L'atténuation du signal ultrasonique est causée par l'absorption, la réflexion et la diffusion. L'unité d'atténuation est le décibel (dB). Le coefficient d'atténuation est l'atténuation d'un signal ultrasonore par unité de longueur de trajet de ce signal (dB/cm). Le coefficient d'atténuation augmente avec l'augmentation de la fréquence. Les coefficients moyens d'atténuation des tissus mous et la diminution de l'intensité du signal d'écho en fonction de la fréquence sont présentés dans le tableau 2.2.

Tableau 2.2. Coefficients d'atténuation moyens dans les tissus mous
Fréquence, MHz	Coefficient d'atténuation moyen pour les tissus mous, dB/cm	Réduire l'intensité avec la profondeur
		1 cm (%)	10 cm (%)

) et les sons musicaux (qui composent la musique). Les sons musicaux contiennent non pas un, mais plusieurs sons, et parfois des composantes sonores dans une large gamme de fréquences.

Notion de son

Les ondes sonores dans l’air alternent zones de compression et de raréfaction.

Les ondes sonores peuvent servir d’exemple de processus oscillatoire. Toute oscillation est associée à une violation de l'état d'équilibre du système et s'exprime par l'écart de ses caractéristiques par rapport aux valeurs d'équilibre avec un retour ultérieur à la valeur d'origine. Pour les vibrations sonores, cette caractéristique est la pression en un point du milieu et son écart est la pression acoustique.

Si vous effectuez un déplacement brusque de particules d'un milieu élastique à un endroit, par exemple à l'aide d'un piston, la pression à cet endroit augmentera. Grâce aux liaisons élastiques des particules, la pression est transmise aux particules voisines, qui, à leur tour, agissent sur les suivantes, et la zone de pression accrue semble se déplacer dans un milieu élastique. A une région de haute pression succède une région de basse pression, et ainsi se forment une série de régions alternées de compression et de raréfaction, se propageant dans le milieu sous la forme d'une onde. Chaque particule du milieu élastique effectuera dans ce cas des mouvements oscillatoires.

Dans les milieux liquides et gazeux, où il n'y a pas de fluctuations significatives de densité, les ondes acoustiques sont de nature longitudinale, c'est-à-dire que la direction de vibration des particules coïncide avec la direction de mouvement de l'onde. Dans les solides, en plus des déformations longitudinales, des déformations élastiques de cisaillement se produisent également, provoquant l'excitation d'ondes transversales (de cisaillement) ; dans ce cas, les particules oscillent perpendiculairement à la direction de propagation des ondes. La vitesse de propagation des ondes longitudinales est bien supérieure à la vitesse de propagation des ondes de cisaillement.

En philosophie, en psychologie et en écologie des communications, le son est étudié en lien avec son impact sur la perception et la pensée (on parle par exemple de l'espace acoustique comme d'un espace créé par l'influence des communications électroniques).

Paramètres physiques du son

La vitesse du son dans l'air dépend de la température et, dans des conditions normales, est d'environ 340 m/s.

La vitesse du son dans n'importe quel milieu est calculée par la formule :

c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho )))),

Où β (\displaystyle \bêta)- compressibilité adiabatique du milieu ; ρ ( displaystyle rho )- densité.

Volume sonore

Volume sonore- perception subjective de la force sonore (valeur absolue de la sensation auditive). L'intensité sonore dépend principalement de la pression acoustique, de l'amplitude et de la fréquence des vibrations sonores. De plus, l'intensité sonore d'un son est influencée par sa composition spectrale, sa localisation dans l'espace, son timbre, la durée d'exposition aux vibrations sonores, la sensibilité individuelle de l'analyseur auditif humain et d'autres facteurs.

Génération sonore

Habituellement, des corps oscillants de diverses natures sont utilisés pour générer du son, provoquant des vibrations dans l’air ambiant. Un exemple d’une telle génération est l’utilisation de cordes vocales, de haut-parleurs ou d’un diapason. La plupart des instruments de musique reposent sur le même principe. Une exception concerne les instruments à vent, dans lesquels le son est généré par l'interaction du flux d'air avec les inhomogénéités de l'instrument. Pour créer un son cohérent, on utilise des lasers dits sonores ou à phonons.

Diagnostic échographique

Ultrason- vibrations sonores élastiques de haute fréquence. L'oreille humaine perçoit des ondes élastiques se propageant dans le milieu avec une fréquence allant jusqu'à environ 16 Hz-20 kHz ; Les vibrations à plus haute fréquence sont des ultrasons (au-delà de la limite audible).

Propagation des ultrasons

La propagation des ultrasons est le processus de déplacement dans l'espace et dans le temps des perturbations se produisant dans une onde sonore.

Une onde sonore se propage dans une substance à l'état gazeux, liquide ou solide dans le même sens que les particules de cette substance se déplacent, c'est-à-dire qu'elle provoque une déformation du milieu. La déformation consiste dans le fait qu'il se produit une raréfaction et une compression successives de certains volumes du milieu, et la distance entre deux zones adjacentes correspond à la longueur de l'onde ultrasonore. Plus la résistance acoustique spécifique du milieu est grande, plus le degré de compression et de raréfaction du milieu est élevé pour une amplitude de vibration donnée.

Les particules du milieu impliquées dans le transfert de l'énergie des vagues oscillent autour de leur position d'équilibre. La vitesse à laquelle les particules oscillent autour de la position d’équilibre moyenne est appelée vitesse oscillatoire. La vitesse de vibration des particules change selon l'équation :

V = U péché ⁡ (2 π f t + G) (\displaystyle V=U\sin(2\pi ft+G)),

où V est l'amplitude de la vitesse d'oscillation ;

• U est l'amplitude de la vitesse d'oscillation ;
• f - fréquence des ultrasons ;
• t - temps ;
• G est la différence de phase entre la vitesse de vibration des particules et la pression acoustique variable.

L'amplitude de la vitesse d'oscillation caractérise la vitesse maximale à laquelle les particules du milieu se déplacent pendant le processus d'oscillation et est déterminée par la fréquence des oscillations et l'amplitude du déplacement des particules du milieu.

U = 2 π f A (\displaystyle U=2\pi fA),

Diffraction, interférence

Lorsque les ondes ultrasonores se propagent, des phénomènes de diffraction, d'interférence et de réflexion sont possibles.

La diffraction (ondes se courbant autour des obstacles) se produit lorsque la longueur d'onde ultrasonique est comparable (ou supérieure) à la taille de l'obstacle sur le chemin. Si l’obstacle est grand par rapport à la longueur d’onde acoustique, alors il n’y a pas de phénomène de diffraction.

Lorsque plusieurs ondes ultrasonores se déplacent simultanément dans un milieu, une superposition (chevauchement) de ces ondes se produit en chaque point précis du milieu. La superposition d’ondes de même fréquence les unes sur les autres est appelée interférence. Si des ondes ultrasonores se croisent lors du passage à travers un objet, on observe alors à certains points du milieu une augmentation ou une diminution des vibrations. Dans ce cas, l'état du point du milieu où se produit l'interaction dépend du rapport de phase des vibrations ultrasonores en ce point. Si les ondes ultrasonores atteignent une certaine zone du milieu dans les mêmes phases (en phase), alors les déplacements des particules ont les mêmes signes et les interférences dans de telles conditions entraînent une augmentation de l'amplitude des oscillations. Si les ondes arrivent en un point du milieu en antiphase, alors le déplacement des particules se fera dans des directions différentes, ce qui entraîne une diminution de l'amplitude des oscillations.

Absorption des ondes ultrasonores

Étant donné que le milieu dans lequel les ultrasons se propagent a une viscosité, une conductivité thermique et d'autres causes de frottement interne, l'absorption se produit à mesure que l'onde se propage, c'est-à-dire qu'à mesure qu'elle s'éloigne de la source, l'amplitude et l'énergie des vibrations ultrasoniques diminuent. Le milieu dans lequel se propagent les ultrasons interagit avec l’énergie qui le traverse et en absorbe une partie. La majeure partie de l'énergie absorbée est convertie en chaleur, la plus petite partie provoque des changements structurels irréversibles dans la substance émettrice. L'absorption est le résultat du frottement des particules les unes contre les autres ; elle est différente selon les milieux. L'absorption dépend également de la fréquence des vibrations ultrasonores. Théoriquement, l’absorption est proportionnelle au carré de la fréquence.

Le degré d'absorption peut être caractérisé par le coefficient d'absorption, qui montre comment l'intensité des ultrasons change dans le milieu irradié. Il augmente avec une fréquence croissante. L'intensité des vibrations ultrasonores dans le milieu diminue de façon exponentielle. Ce processus est provoqué par le frottement interne, la conductivité thermique du milieu absorbant et sa structure. Elle est grossièrement caractérisée par la taille de la couche semi-absorbante, qui montre à quelle profondeur l'intensité des vibrations diminue de moitié (plus précisément de 2,718 fois ou de 63 %). Selon Pahlman, à une fréquence de 0,8 MHz, les valeurs moyennes de la couche semi-absorbante pour certains tissus sont les suivantes : tissu adipeux - 6,8 cm ; musclé - 3,6 cm; tissu adipeux et musculaire ensemble - 4,9 cm.Avec l'augmentation de la fréquence des ultrasons, la taille de la couche semi-absorbante diminue. Ainsi, à une fréquence de 2,4 MHz, l'intensité des ultrasons traversant les tissus adipeux et musculaires est réduite de moitié à une profondeur de 1,5 cm.

De plus, une absorption anormale de l'énergie des vibrations ultrasonores dans certaines gammes de fréquences est possible - cela dépend des caractéristiques de la structure moléculaire d'un tissu donné. On sait que 2/3 de l’énergie ultrasonore est atténuée au niveau moléculaire et 1/3 au niveau des structures tissulaires microscopiques.

Profondeur de pénétration des ondes ultrasonores

La profondeur de pénétration des ultrasons fait référence à la profondeur à laquelle l’intensité est réduite de moitié. Cette valeur est inversement proportionnelle à l'absorption : plus le milieu absorbe fortement les ultrasons, plus la distance à laquelle l'intensité des ultrasons est atténuée de moitié est courte.

Diffusion des ondes ultrasonores

S'il y a des inhomogénéités dans le milieu, une diffusion du son se produit, ce qui peut modifier considérablement le schéma de propagation simple des ultrasons et, finalement, provoquer également une atténuation de l'onde dans la direction de propagation d'origine.

Réfraction des ondes ultrasonores

La résistance acoustique des tissus mous humains n'étant pas très différente de la résistance de l'eau, on peut supposer que la réfraction des ondes ultrasonores sera observée à l'interface entre les milieux (épiderme - derme - fascia - muscle).

Réflexion des ondes ultrasonores

Le diagnostic échographique repose sur le phénomène de réflexion. La réflexion se produit dans les zones frontalières de la peau et de la graisse, de la graisse et des muscles, des muscles et des os. Si les ultrasons, lors de leur propagation, rencontrent un obstacle, alors une réflexion se produit ; si l'obstacle est petit, alors les ultrasons semblent circuler autour de lui. Les hétérogénéités du corps ne provoquent pas d'écarts significatifs, car par rapport à la longueur d'onde (2 mm), leurs tailles (0,1-0,2 mm) peuvent être négligées. Si les ultrasons sur leur trajet rencontrent des organes dont les dimensions sont supérieures à la longueur d'onde, une réfraction et une réflexion des ultrasons se produisent. La réflexion la plus forte est observée aux limites de l'os - tissu environnant et du tissu - air. L'air a une faible densité et une réflexion presque complète des ultrasons est observée. La réflexion des ondes ultrasonores est observée à la limite muscle - périoste - os, à la surface des organes creux.

Ondes ultrasonores mobiles et stationnaires

Si, lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu, elles ne sont pas réfléchies, des ondes progressives se forment. En raison des pertes d'énergie, les mouvements oscillatoires des particules du milieu s'atténuent progressivement, et plus les particules sont éloignées de la surface rayonnante, plus l'amplitude de leurs oscillations est faible. Si, sur le chemin de propagation des ondes ultrasonores, se trouvent des tissus présentant différentes résistances acoustiques spécifiques, alors, à un degré ou à un autre, les ondes ultrasonores sont réfléchies depuis l'interface limite. La superposition des ondes ultrasonores incidentes et réfléchies peut donner lieu à des ondes stationnaires. Pour que des ondes stationnaires se produisent, la distance entre la surface émettrice et la surface réfléchissante doit être un multiple de la moitié de la longueur d'onde.

Infrasons

Les infrasons générés dans la mer sont considérés comme l'une des raisons possibles de la découverte de navires abandonnés par l'équipage.

Expériences et démonstrations

La trompette Rubens est utilisée pour démontrer les ondes sonores stationnaires.

La différence dans la vitesse de propagation du son est évidente : lorsqu'ils inhalent de l'hélium au lieu de l'air et qu'ils disent quelque chose en expirant, la voix devient plus haute. Si le gaz est de l'hexafluorure de soufre SF 6, la voix est plus basse. Cela est dû au fait que les gaz sont à peu près également bien comprimés, donc dans l'hélium, qui a une très faible densité par rapport à l'air, la vitesse du son augmente et diminue dans l'hexafluorure de soufre, qui a une très haute densité pour les gaz, tandis que les dimensions du résonateur oral humain restent inchangées, en conséquence, la fréquence de résonance change, puisque plus la vitesse du son est élevée, plus la fréquence de résonance est élevée, les autres conditions restant inchangées.

Les ultrasons représentent des ondes longitudinales ayant une fréquence d'oscillation supérieure à 20 kHz. C'est plus élevé que la fréquence des vibrations perçues par l'aide auditive humaine. Une personne peut percevoir des fréquences comprises entre 16 et 20 kHz, elles sont appelées sons. Les ondes ultrasoniques ressemblent à une série de condensations et de raréfactions d'une substance ou d'un milieu. De par leurs propriétés, ils sont largement utilisés dans de nombreux domaines.

Qu'est-ce que c'est

La gamme ultrasonique comprend des fréquences allant de 20 000 à plusieurs milliards de hertz. Il s’agit de vibrations à haute fréquence qui dépassent la plage d’audibilité de l’oreille humaine. Cependant, certaines espèces d’animaux perçoivent assez bien les ondes ultrasonores. Ce sont des dauphins, des baleines, des rats et d'autres mammifères.

Selon leurs propriétés physiques, les ondes ultrasonores sont élastiques et ne diffèrent donc pas des ondes sonores. En conséquence, la différence entre les vibrations sonores et ultrasoniques est très arbitraire, car elle dépend de la perception subjective de l’audition d’une personne et est égale au niveau supérieur du son audible.

Mais la présence de fréquences plus élevées, et donc d'une longueur d'onde courte, confère aux vibrations ultrasonores certaines caractéristiques :

• Les fréquences ultrasoniques ont différentes vitesses de déplacement à travers différentes substances, grâce auxquelles il est possible de déterminer avec une grande précision les propriétés des processus en cours, la capacité thermique spécifique des gaz, ainsi que les caractéristiques d'un solide.
• Les vagues d'intensité significative ont certains effets qui sont soumis à l'acoustique non linéaire.
• Lorsque les ondes ultrasonores se déplacent avec une puissance importante dans un milieu liquide, le phénomène de cavitation acoustique se produit. Ce phénomène est très important car il en résulte un champ de bulles formé à partir de particules submicroscopiques de gaz ou de vapeur dans un milieu aqueux ou autre. Ils palpitent à une certaine fréquence et se referment avec une énorme pression locale. Cela crée des ondes de choc sphériques, qui conduisent à l’apparition de flux acoustiques microscopiques. Grâce à ce phénomène, les scientifiques ont appris à nettoyer les pièces contaminées et à créer des torpilles qui se déplacent dans l'eau à une vitesse supérieure à la vitesse du son.
• Les ultrasons peuvent être focalisés et concentrés, permettant la création de modèles sonores. Cette propriété a été utilisée avec succès en holographie et en vision sonore.
• Une onde ultrasonore peut très bien agir comme un réseau de diffraction.

Propriétés

Les ondes ultrasoniques ont des propriétés similaires aux ondes sonores, mais elles ont aussi des caractéristiques spécifiques :

• Longueur d'onde courte. Même pour une bordure basse, la longueur est inférieure à quelques centimètres. Une si petite longueur conduit au caractère radial du mouvement des vibrations ultrasonores. Directement à côté de l’émetteur, l’onde se propage sous la forme d’un faisceau qui se rapproche des paramètres de l’émetteur. Cependant, se trouvant dans un environnement inhomogène, le faisceau se déplace comme un rayon lumineux. Il peut aussi être réfléchi, dispersé, réfracté.
• La période d'oscillation est courte, ce qui permet d'utiliser des vibrations ultrasonores sous forme d'impulsions.
• Les ultrasons ne sont pas audibles et ne créent pas d'effet irritant.
• Lorsqu'il est exposé à des vibrations ultrasonores sur certains supports, des effets spécifiques peuvent être obtenus. Par exemple, vous pouvez créer un chauffage local, un dégazage, une désinfection de l'environnement, une cavitation et bien d'autres effets.

Principe de fonctionnement

Différents appareils sont utilisés pour créer des vibrations ultrasonores :

• Mécanique, où la source est l'énergie d'un liquide ou d'un gaz.
• Électromécanique, où l'énergie ultrasonique est créée à partir de l'énergie électrique.

Les sifflets et les sirènes alimentés par de l'air ou un liquide peuvent agir comme des émetteurs mécaniques. Ils sont pratiques et simples, mais ils ont leurs inconvénients. Leur efficacité est donc de l’ordre de 10 à 20 pour cent. Ils créent un large spectre de fréquences avec une amplitude et une fréquence instables. Cela conduit au fait que de tels appareils ne peuvent pas être utilisés dans des conditions où la précision est requise. Le plus souvent, ils sont utilisés comme dispositifs de signalisation.

Les appareils électromécaniques utilisent le principe de l'effet piézoélectrique. Sa particularité est que lorsque des charges électriques se forment sur les faces du cristal, celui-ci se contracte et s'étire. En conséquence, des oscillations sont créées avec une fréquence dépendant de la période de changement de potentiel sur les surfaces du cristal.

En plus des transducteurs basés sur l'effet piézoélectrique, des transducteurs magnétostrictifs peuvent également être utilisés. Ils sont utilisés pour créer un puissant faisceau ultrasonique. Le noyau, constitué d'un matériau magnétostrictif, placé dans un enroulement conducteur, change de longueur en fonction de la forme du signal électrique entrant dans l'enroulement.

Application

L’échographie est largement utilisée dans des domaines très variés.

Le plus souvent, il est utilisé dans les domaines suivants :

• Obtenir des données sur une substance spécifique.
• Traitement et transmission du signal.
• Impact sur la substance.

Ainsi, à l’aide d’ondes ultrasonores ils étudient :

• Processus moléculaires dans diverses structures.
• Détermination de la concentration de substances dans les solutions.
• Détermination de la composition, des caractéristiques de résistance des matériaux, etc.

Dans le traitement par ultrasons, la méthode de cavitation est souvent utilisée :

• Métallisation.
• Nettoyage par ultrasons.
• Dégazage des liquides.
• Dispersion.
• Réception d'aérosols.
• Stérilisation par ultrasons.
• Destruction des micro-organismes.
• Intensification des processus électrochimiques.

Les opérations technologiques suivantes sont réalisées dans l'industrie sous l'influence des ondes ultrasonores :

• Coagulation.
• Combustion en milieu ultrasonique.
• Séchage.
• Soudage.

En médecine, les ondes ultrasonores sont utilisées en thérapie et en diagnostic. Le diagnostic implique des méthodes de localisation utilisant un rayonnement pulsé. Il s'agit notamment de la cardiographie échographique, de l'échoencéphalographie et d'un certain nombre d'autres méthodes. En thérapie, les ondes ultrasonores sont utilisées comme méthodes basées sur les effets thermiques et mécaniques sur les tissus. Par exemple, un scalpel à ultrasons est souvent utilisé lors d’opérations.

Les vibrations ultrasoniques réalisent également :

• Micromassage des structures tissulaires par vibration.
• Stimulation de la régénération cellulaire, ainsi que des échanges intercellulaires.
• Perméabilité accrue des membranes tissulaires.

Les ultrasons peuvent agir sur les tissus par inhibition, stimulation ou destruction. Tout cela dépend de la dose appliquée de vibrations ultrasonores et de leur puissance. Cependant, toutes les zones du corps humain ne sont pas autorisées à utiliser de telles ondes. Ainsi, avec une certaine prudence, ils agissent sur le muscle cardiaque et un certain nombre d'organes endocriniens. Le cerveau, les vertèbres cervicales, le scrotum et un certain nombre d'autres organes ne sont pas du tout affectés.

Les vibrations ultrasoniques sont utilisées dans les cas où il est impossible d'utiliser les rayons X dans :

• La traumatologie utilise une méthode d'échographie qui détecte facilement les hémorragies internes.
• En obstétrique, les ondes sont utilisées pour évaluer le développement fœtal, ainsi que ses paramètres.
• Cardiologie ils permettent d'examiner le système cardiovasculaire.

L'échographie dans le futur

Actuellement, les ultrasons sont largement utilisés dans divers domaines, mais à l'avenir, ils trouveront encore plus d'applications. Aujourd’hui déjà, nous prévoyons de créer des appareils fantastiques pour aujourd’hui.

• La technologie des hologrammes acoustiques ultrasoniques est en cours de développement à des fins médicales. Cette technologie implique l'agencement de microparticules dans l'espace pour créer l'image requise.
• Les scientifiques travaillent à la création d'une technologie pour les appareils sans contact qui remplaceront les appareils tactiles. Par exemple, des appareils de jeu ont déjà été créés pour reconnaître les mouvements humains sans contact direct. Des technologies sont en cours de développement qui impliquent la création de boutons invisibles qui peuvent être ressentis et contrôlés avec les mains. Le développement de telles technologies permettra de créer des smartphones ou des tablettes sans contact. De plus, cette technologie élargira les capacités de la réalité virtuelle.
• Grâce aux ondes ultrasonores, il est déjà possible de faire léviter de petits objets. À l'avenir, des machines pourraient apparaître qui flotteront au-dessus du sol à cause des vagues et, en l'absence de friction, se déplaceront à une vitesse énorme.
• Les scientifiques suggèrent qu’à l’avenir, les ultrasons apprendront aux aveugles à voir. Cette confiance repose sur le fait que les chauves-souris reconnaissent les objets grâce aux ondes ultrasonores réfléchies. Un casque a déjà été créé pour convertir les ondes réfléchies en son audible.
• Aujourd’hui déjà, on s’attend à extraire des minéraux dans l’espace, car tout y est. Les astronomes ont donc découvert une planète diamant pleine de pierres précieuses. Mais comment extraire des matériaux aussi solides dans l’espace ? Ce sont les ultrasons qui aideront au perçage de matériaux denses. De tels processus sont tout à fait possibles même en l'absence d'atmosphère. De telles technologies de forage permettront de collecter des échantillons, de mener des recherches et d’extraire des minéraux là où cela est aujourd’hui considéré comme impossible.

L'échographie est le nom donné aux ondes élastiques (ondes se propageant dans les milieux liquides, solides et gazeux sous l'action de forces élastiques), dont la fréquence se situe en dehors de la plage audible pour l'homme - environ 20 kHz et plus.

Caractéristiques utiles des ondes ultrasonores

Et bien que les ultrasons aient physiquement la même nature que le son audible, n'en différant que conditionnellement (par une fréquence plus élevée), c'est précisément grâce à sa fréquence plus élevée que les ultrasons sont applicables dans un certain nombre de domaines utiles. Ainsi, lors de la mesure de la vitesse des ultrasons dans une substance solide, liquide ou gazeuse, des erreurs très insignifiantes sont obtenues lors de la surveillance de processus rapides, lors de la détermination de la capacité thermique spécifique (gaz), lors de la mesure des constantes élastiques des solides.

La haute fréquence à petites amplitudes permet d'obtenir des densités de flux d'énergie accrues, puisque l'énergie d'une onde élastique est proportionnelle au carré de sa fréquence. De plus, les ondes ultrasonores, utilisées à bon escient, permettent d'obtenir de nombreux effets et phénomènes acoustiques très particuliers.

L’un de ces phénomènes inhabituels est la cavitation acoustique, qui se produit lorsqu’une puissante onde ultrasonore est dirigée dans un liquide. Dans un liquide, dans le domaine des ultrasons, de minuscules bulles de vapeur ou de gaz (taille submicroscopique) commencent à croître jusqu'à atteindre des fractions de millimètres de diamètre, pulsant à la fréquence de l'onde et s'effondrant dans la phase de pression positive.

L'effondrement de la bulle génère localement une impulsion de haute pression, mesurée en milliers d'atmosphères, devenant une source d'ondes de choc sphériques. Les microflux acoustiques formés à proximité de ces bulles pulsées ont eu des applications utiles pour produire des émulsions, nettoyer des pièces, etc.

En focalisant les ultrasons, des images sonores sont obtenues en holographie acoustique et dans les systèmes d'imagerie sonore, et elles concentrent l'énergie sonore afin de former un rayonnement dirigé avec des caractéristiques directionnelles spécifiées et contrôlées.

En utilisant une onde ultrasonore comme réseau de diffraction pour la lumière, il est possible, à certaines fins, de modifier les indices de réfraction de la lumière, car la densité dans une onde ultrasonore, comme dans une onde élastique en principe, change périodiquement.

Enfin, des fonctionnalités liées à la vitesse de propagation des ultrasons. Dans les milieux inorganiques, les ultrasons se propagent à une vitesse dépendant de l'élasticité et de la densité du milieu.

Comme pour les milieux organiques, la vitesse est influencée par les frontières et leur nature, c'est-à-dire que la vitesse de phase dépend de la fréquence (dispersion). Les ultrasons s'atténuent à mesure que le front d'onde s'éloigne de la source - le front diverge, les ultrasons sont diffusés et absorbés.

Le frottement interne du milieu (viscosité de cisaillement) conduit à une absorption classique des ultrasons ; de plus, l'absorption de relaxation des ultrasons dépasse l'absorption classique. Les ultrasons sont plus fortement atténués dans les gaz et beaucoup plus faiblement dans les solides et les liquides. Dans l’eau, par exemple, sa disparition est 1 000 fois plus lente que dans l’air. Ainsi, les applications industrielles des ultrasons sont presque entièrement liées aux solides et aux liquides.

Ultrasons en écholocation et sonar (industries agroalimentaires, défense, minières)

Le premier prototype de sonar a été créé par l'ingénieur russe Shilovsky en collaboration avec le physicien français Langevin en 1912 pour empêcher les collisions de navires avec des banquises et des icebergs.

L'appareil utilisait le principe de réflexion et de réception des ondes sonores. Le signal a été envoyé à un certain point, et grâce au retard du signal de réponse (écho), connaissant la vitesse du son, il a été possible de juger de la distance jusqu'à l'obstacle qui reflétait le son.

Shilovsky et Langevin ont commencé à explorer en profondeur l'hydroacoustique et ont rapidement créé un dispositif capable de détecter les sous-marins ennemis dans la mer Méditerranée à une distance allant jusqu'à 2 kilomètres. Tous les sonars modernes, y compris les sonars militaires, sont les descendants de cet appareil.

Les échosondeurs modernes pour l'étude de la topographie du fond se composent de quatre blocs : émetteur, récepteur, transducteur et écran. La fonction de l'émetteur est d'envoyer profondément dans l'eau des impulsions ultrasoniques (50 kHz, 192 kHz ou 200 kHz), qui se propagent dans l'eau à une vitesse de 1,5 km/s, où elles sont réfléchies par les poissons, pierres et autres objets. et le bas, puis l'écho atteint le récepteur et est traité par le convertisseur et le résultat est affiché sur l'écran sous une forme pratique pour la perception visuelle.

Les ultrasons dans l’industrie électronique et électrique

De nombreux domaines de la physique moderne ne peuvent se passer des ultrasons. La physique de l'état solide et des semi-conducteurs, ainsi que l'acoustoélectronique, sont à bien des égards étroitement associées aux méthodes de recherche par ultrasons - avec des impacts à des fréquences de 20 kHz et plus. L'acoustoélectronique occupe ici une place particulière, où les ondes ultrasonores interagissent avec les champs électriques et les électrons à l'intérieur des corps solides.

Les ondes ultrasonores volumétriques sont utilisées sur les lignes à retard et dans les résonateurs à quartz pour stabiliser la fréquence dans les systèmes électroniques modernes de traitement et de transmission d'informations. Les ondes acoustiques de surface occupent une place particulière dans les filtres passe-bande pour la télévision, dans les synthétiseurs de fréquence, dans les dispositifs de transfert de charges par une onde acoustique, dans les dispositifs de mémoire et de lecture d'images. Enfin, les corrélateurs et les convoluteurs utilisent l'effet acoustoélectrique transversal dans leur travail.

Radioélectronique et ultrasons

Les lignes à retard ultrasoniques sont utiles pour retarder un signal électrique par rapport à un autre. L'impulsion électrique est convertie en une oscillation mécanique pulsée de fréquence ultrasonore, qui se propage plusieurs fois plus lentement que l'impulsion électromagnétique ; la vibration mécanique est ensuite reconvertie en impulsion électrique, produisant un signal retardé par rapport à celui initialement appliqué.

Pour une telle conversion, on utilise généralement des transducteurs piézoélectriques ou magnétostrictifs, c'est pourquoi les lignes à retard sont dites piézoélectriques ou magnétostrictives.

Dans une ligne à retard piézoélectrique, un signal électrique est fourni à une plaque de quartz (transducteur piézoélectrique) reliée rigidement à une tige métallique.

Un deuxième transducteur piézoélectrique est fixé à l'autre extrémité de la tige. Le transducteur d'entrée reçoit le signal, crée des vibrations mécaniques qui se propagent le long de la tige, et lorsque les vibrations atteignent le deuxième transducteur à travers la tige, un signal électrique est à nouveau obtenu.

La vitesse de propagation des vibrations le long de la tige est bien inférieure à celle d'un signal électrique, donc le signal traversant la tige est retardé par rapport à celui fourni d'une quantité liée à la différence des vitesses de vibrations électromagnétiques et ultrasonores.

La ligne à retard magnétostrictive contiendra le transducteur d'entrée, les aimants, le conduit audio, le transducteur de sortie et les absorbeurs. Le signal d'entrée est envoyé à la première bobine, des oscillations de fréquence ultrasonore commencent dans le conduit sonore de la tige en matériau magnétostrictif - oscillations mécaniques - l'aimant crée ici une polarisation constante dans la zone de conversion et une induction magnétique initiale.

L'échographie dans l'industrie manufacturière (découpe et soudage)

Un matériau abrasif (sable de quartz, diamant, pierre, etc.) est placé entre la source d'ultrasons et la pièce. Les ultrasons agissent sur les particules abrasives, qui à leur tour frappent la pièce à la fréquence ultrasonore. Le matériau de la pièce est détruit sous l'influence d'un grand nombre de minuscules impacts de grains abrasifs - c'est ainsi que se produit le traitement.

La coupe est combinée au mouvement d'avance, les vibrations longitudinales de coupe étant les principales. La précision du traitement par ultrasons dépend de la granulométrie de l'abrasif et atteint 1 micron. De cette manière, des découpes complexes sont rendues nécessaires lors de la fabrication de pièces métalliques, du meulage, de la gravure et du perçage.

S'il est nécessaire de souder des métaux différents (voire des polymères) ou d'associer une pièce épaisse avec une plaque mince, les ultrasons viennent encore à la rescousse. C'est ce qu'on appelle. Sous l'influence des ultrasons dans la zone de soudage, le métal devient très ductile, les pièces peuvent très facilement pivoter lors de la connexion sous n'importe quel angle. Et dès que vous éteignez les ultrasons, les pièces se connecteront et se régleront instantanément.

Il convient particulièrement de noter que le soudage s'effectue à une température inférieure au point de fusion des pièces et que leur connexion s'effectue pratiquement à l'état solide. Mais l'acier, le titane et même le molybdène sont soudés de cette façon. Les tôles fines sont les plus faciles à souder. Cette méthode de soudage ne nécessite pas de préparation particulière de la surface des pièces, cela s'applique aussi bien aux métaux qu'aux polymères.

Ultrasons en métallurgie (détection de défauts par ultrasons)

La détection de défauts par ultrasons est l’une des méthodes les plus efficaces pour contrôler la qualité des pièces métalliques sans destruction. Dans un milieu homogène, les ultrasons se propagent de manière directionnelle sans atténuation rapide et se caractérisent par une réflexion aux limites du milieu. Ainsi, les pièces métalliques sont vérifiées pour la présence de cavités et de fissures à l'intérieur (interface air-métal), et une fatigue accrue du métal est détectée.

Les ultrasons sont capables de pénétrer dans une pièce jusqu'à une profondeur de 10 mètres et la taille des défauts détectés est de l'ordre de 5 mm. Il existe : ombre, impulsion, résonance, analyse structurelle, visualisation, - cinq méthodes de détection de défauts par ultrasons.

La méthode la plus simple est la détection de défauts par ombre ultrasonore ; cette méthode est basée sur l'affaiblissement d'une onde ultrasonore lorsqu'elle rencontre un défaut en traversant une pièce, puisque le défaut crée une ombre ultrasonore. Deux convertisseurs fonctionnent : le premier émet une onde, le second la reçoit.

Cette méthode est insensible, un défaut n'est détecté que si son influence modifie le signal d'au moins 15 %, et il est également impossible de déterminer la profondeur où se situe le défaut dans la pièce. La méthode des ultrasons pulsés donne des résultats plus précis ; elle montre également la profondeur.

Si un corps oscille dans un milieu élastique plus vite que le milieu n'a le temps de circuler autour de lui, son mouvement comprime ou raréfie le milieu. Des couches de haute et basse pression se dispersent du corps oscillant dans toutes les directions et forment des ondes sonores. Si les vibrations du corps créant l'onde se succèdent au moins 16 fois par seconde, pas plus de 18 000 fois par seconde, alors l'oreille humaine les entend.

Les fréquences comprises entre 16 et 18 000 Hz, que l'aide auditive humaine peut percevoir, sont généralement appelées fréquences sonores, par exemple le grincement d'un moustique »10 kHz. Mais l'air, les profondeurs des mers et les entrailles de la terre sont remplis de sons qui se situent en dessous et au-dessus de cette gamme - infra et ultrasons. Dans la nature, les ultrasons font partie de nombreux bruits naturels : dans le bruit du vent, des cascades, de la pluie, des cailloux marins roulés par les vagues et dans les décharges de foudre. De nombreux mammifères, comme les chats et les chiens, ont la capacité de percevoir des ultrasons avec une fréquence allant jusqu'à 100 kHz, et les capacités de localisation des chauves-souris, des insectes nocturnes et des animaux marins sont bien connues de tous. L'existence de sons inaudibles a été découverte avec le développement de l'acoustique à la fin du XIXème siècle. Parallèlement, les premières études sur l'échographie commencent, mais les bases de son utilisation ne sont posées que dans le premier tiers du XXe siècle.

La limite inférieure de la plage ultrasonique est appelée vibrations élastiques avec une fréquence de 18 kHz. La limite supérieure des ultrasons est déterminée par la nature des ondes élastiques, qui ne peuvent se propager qu'à condition que la longueur d'onde soit nettement supérieure au libre parcours des molécules (dans les gaz) ou aux distances interatomiques (dans les liquides et les gaz). Dans les gaz, la limite supérieure est de »106 kHz, dans les liquides et solides de »1010 kHz. En règle générale, les fréquences allant jusqu'à 106 kHz sont appelées ultrasons. Les fréquences plus élevées sont communément appelées hypersons.

Les ondes ultrasonores, de par leur nature, ne diffèrent pas des ondes dans le domaine audible et obéissent aux mêmes lois physiques. Mais les ultrasons présentent des caractéristiques spécifiques qui ont déterminé leur utilisation généralisée en science et en technologie. Voici les principaux :

• Longueur d'onde courte. Pour la gamme ultrasonore la plus basse, la longueur d’onde ne dépasse pas plusieurs centimètres dans la plupart des milieux. La courte longueur d’onde détermine la nature des rayons de propagation des ondes ultrasonores. A proximité de l'émetteur, les ultrasons se propagent sous forme de faisceaux de taille similaire à celle de l'émetteur. Lorsqu'il rencontre des inhomogénéités du milieu, le faisceau ultrasonore se comporte comme un faisceau lumineux, subissant réflexion, réfraction et diffusion, ce qui permet de former des images sonores dans des milieux optiquement opaques à l'aide d'effets purement optiques (focalisation, diffraction, etc.)
• Une courte période d'oscillation, qui permet d'émettre des ultrasons sous forme d'impulsions et d'effectuer une sélection temporelle précise des signaux se propageant dans le milieu.
• Possibilité d'obtenir des valeurs élevées d'énergie vibratoire à faible amplitude, car l'énergie vibratoire est proportionnelle au carré de la fréquence. Cela permet de créer des faisceaux et des champs ultrasonores avec un niveau d'énergie élevé, sans nécessiter d'équipement de grande taille.
• Des courants acoustiques importants se développent dans le champ ultrasonore. Ainsi, l’impact des ultrasons sur l’environnement donne lieu à des effets spécifiques : physiques, chimiques, biologiques et médicaux. Tels que la cavitation, l'effet capillaire sonique, la dispersion, l'émulsification, le dégazage, la désinfection, le chauffage local et bien d'autres.
• L'échographie est inaudible et ne crée pas de gêne pour le personnel opérateur.

Histoire de l'échographie. Qui a découvert l’échographie ?

L'attention portée à l'acoustique a été motivée par les besoins des marines des principales puissances - l'Angleterre et la France, car L'acoustique est le seul type de signal qui peut voyager loin dans l'eau. En 1826 Le scientifique français Colladon déterminé la vitesse du son dans l'eau. L'expérience de Colladon est considérée comme la naissance de l'hydroacoustique moderne. La cloche sous-marine du lac Léman a été frappée avec l'allumage simultané de la poudre à canon. L'éclair de la poudre à canon a été observé par Colladon à une distance de 10 milles. Il a également entendu le son de la cloche à l'aide d'un tube auditif sous-marin. En mesurant l'intervalle de temps entre ces deux événements, Colladon a calculé que la vitesse du son était de 1 435 m/sec. La différence avec les calculs modernes n’est que de 3 m/sec.

En 1838, aux États-Unis, le son fut utilisé pour la première fois pour déterminer le profil des fonds marins afin de poser un câble télégraphique. La source du son, comme dans l’expérience de Colladon, était une cloche sonnant sous l’eau, et le récepteur était constitué de grands tubes auditifs abaissés sur le côté du navire. Les résultats de l'expérience ont été décevants. Le son de la cloche (comme d'ailleurs l'explosion des cartouches de poudre dans l'eau) donnait un écho trop faible, presque inaudible parmi les autres bruits de la mer. Il fallait aller dans la région des fréquences plus élevées, permettant la création de faisceaux sonores dirigés.

Premier générateur d'ultrasons fabriqué en 1883 par un Anglais Francis Galton. L'échographie a été créée comme un sifflet sur le tranchant d'un couteau lorsque vous soufflez dessus. Le rôle d'une telle pointe dans le sifflet de Galton était joué par un cylindre aux arêtes vives. L'air ou un autre gaz sortant sous pression à travers une buse annulaire d'un diamètre identique à celui du bord du cylindre coulait sur le bord et des oscillations à haute fréquence se produisaient. En sifflant avec de l'hydrogène, il a été possible d'obtenir des oscillations allant jusqu'à 170 kHz.

En 1880 Pierre et Jacques Curie a fait une découverte décisive pour la technologie des ultrasons. Les frères Curie ont remarqué que lorsqu'une pression était appliquée sur les cristaux de quartz, une charge électrique était générée, directement proportionnelle à la force appliquée sur le cristal. Ce phénomène a été appelé « piézoélectricité » du mot grec signifiant « presser ». Ils ont également démontré l’effet piézoélectrique inverse, qui se produit lorsqu’un potentiel électrique changeant rapidement est appliqué au cristal, le faisant vibrer. Il est désormais techniquement possible de fabriquer des émetteurs et des récepteurs d'ultrasons de petite taille.

La mort du Titanic suite à une collision avec un iceberg et la nécessité de combattre de nouvelles armes - les sous-marins - ont nécessité le développement rapide de l'hydroacoustique ultrasonique. En 1914, le physicien français Paul Langevin en collaboration avec le talentueux scientifique émigré russe Konstantin Vasilyevich Shilovsky, ils ont développé pour la première fois un sonar composé d'un émetteur d'ultrasons et d'un hydrophone - un récepteur de vibrations ultrasoniques, basé sur l'effet piézoélectrique. Sonar Langevin - Shilovsky, fut le premier appareil à ultrasons, utilisé dans la pratique. Parallèlement, le scientifique russe S. Ya. Sokolov développe les bases de la détection de défauts par ultrasons dans l'industrie. En 1937, le psychiatre allemand Karl Dussick et son frère Friedrich, physicien, ont utilisé pour la première fois les ultrasons pour détecter les tumeurs cérébrales, mais les résultats obtenus se sont révélés peu fiables. Dans la pratique médicale, l'échographie n'a commencé à être utilisée que dans les années 50 du 20e siècle aux États-Unis.

Recevoir une échographie.

Les émetteurs d'ultrasons peuvent être divisés en deux grands groupes :

1) Les oscillations sont excitées par des obstacles sur le chemin d'un flux de gaz ou de liquide, ou par l'interruption d'un flux de gaz ou de liquide. Ils sont utilisés dans une mesure limitée, principalement pour obtenir des ultrasons puissants en milieu gazeux.

2) Les oscillations sont excitées par transformation en oscillations mécaniques de courant ou de tension. La plupart des appareils à ultrasons utilisent des émetteurs de ce groupe : transducteurs piézoélectriques et magnétostrictifs.

En plus des transducteurs basés sur l'effet piézoélectrique, des transducteurs magnétostrictifs sont utilisés pour produire un puissant faisceau ultrasonore. La magnétostriction est une modification de la taille des corps lorsque leur état magnétique change. Un noyau de matériau magnétostrictif placé dans un enroulement conducteur change de longueur en fonction de la forme du signal de courant traversant l'enroulement. Ce phénomène, découvert en 1842 par James Joule, est caractéristique des ferromagnétiques et des ferrites. Les matériaux magnétostrictifs les plus couramment utilisés sont les alliages à base de nickel, de cobalt, de fer et d'aluminium. L'intensité la plus élevée du rayonnement ultrasonore peut être obtenue grâce à l'alliage permendur (49 % Co, 2 % V, le reste Fe), qui est utilisé dans de puissants émetteurs ultrasoniques. En particulier, ceux produits par notre entreprise.

Application de l'échographie.

Les diverses applications des ultrasons peuvent être divisées en trois domaines :

• obtenir des informations sur une substance
• effet sur la substance
• traitement et transmission du signal

La dépendance de la vitesse de propagation et d'atténuation des ondes acoustiques sur les propriétés de la matière et les processus qui s'y produisent est utilisée dans les études suivantes :

• étude des processus moléculaires dans les gaz, les liquides et les polymères
• étude de la structure des cristaux et autres solides
• contrôle des réactions chimiques, transitions de phase, polymérisation, etc.
• détermination de la concentration de la solution
• détermination des caractéristiques de résistance et de la composition des matériaux
• détermination de la présence d'impuretés
• détermination du débit de liquide et de gaz

Des informations sur la structure moléculaire d'une substance sont fournies en mesurant la vitesse et le coefficient d'absorption du son qu'elle contient. Cela permet de mesurer la concentration de solutions et de suspensions dans les pâtes et les liquides, de suivre la progression de l'extraction, de la polymérisation, du vieillissement et la cinétique des réactions chimiques. La précision de la détermination de la composition des substances et de la présence d'impuretés par ultrasons est très élevée et s'élève à une fraction de pour cent.

La mesure de la vitesse du son dans les solides permet de déterminer les caractéristiques élastiques et de résistance des matériaux de structure. Cette méthode indirecte de détermination de la résistance est pratique en raison de sa simplicité et de sa possibilité d'utilisation en conditions réelles.

Les analyseurs de gaz à ultrasons surveillent l'accumulation d'impuretés dangereuses. La dépendance de la vitesse des ultrasons à la température est utilisée pour la thermométrie sans contact des gaz et des liquides.

Les débitmètres à ultrasons fonctionnant par effet Doppler sont basés sur la mesure de la vitesse du son dans des liquides et des gaz en mouvement, y compris inhomogènes (émulsions, suspensions, pulpes). Un équipement similaire est utilisé pour déterminer la vitesse et le débit du sang dans les études cliniques.

Un grand groupe de méthodes de mesure est basé sur la réflexion et la diffusion des ondes ultrasonores aux frontières entre milieux. Ces méthodes permettent de déterminer avec précision l'emplacement des corps étrangers dans l'environnement et sont utilisées dans des domaines tels que :

• sonar
• contrôles non destructifs et détection de défauts
• diagnostic médical
• déterminer les niveaux de liquides et de solides dans des récipients fermés
• déterminer les tailles des produits
• visualisation des champs sonores - vision sonore et holographie acoustique

La réflexion, la réfraction et la capacité de focalisation des ultrasons sont utilisées dans la détection de défauts par ultrasons, dans les microscopes acoustiques à ultrasons, dans les diagnostics médicaux et pour étudier les macro-inhomogénéités d'une substance. La présence d'inhomogénéités et leurs coordonnées sont déterminées par des signaux réfléchis ou par la structure de l'ombre.

Les méthodes de mesure basées sur la dépendance des paramètres d'un système oscillant résonant sur les propriétés du milieu le chargeant (impédance) sont utilisées pour la mesure continue de la viscosité et de la densité des liquides, ainsi que pour la mesure de l'épaisseur de pièces accessibles uniquement d'un coté. Le même principe sous-tend les testeurs de dureté à ultrasons, les jauges de niveau et les commutateurs de niveau. Avantages des méthodes de contrôle par ultrasons : temps de mesure court, possibilité de contrôler des environnements explosifs, agressifs et toxiques, aucun impact de l'instrument sur l'environnement et les processus contrôlés.

L'effet des ultrasons sur une substance.

L'effet des ultrasons sur une substance, entraînant des modifications irréversibles de celle-ci, est largement utilisé dans l'industrie. Dans le même temps, les mécanismes d’action des ultrasons sont différents selon les environnements. Dans les gaz, le principal facteur opérationnel sont les courants acoustiques, qui accélèrent les processus de transfert de chaleur et de masse. De plus, l’efficacité du mélange par ultrasons est nettement supérieure à celle du mélange hydrodynamique conventionnel, car la couche limite a une épaisseur plus faible et, par conséquent, un gradient de température ou de concentration plus important. Cet effet est utilisé dans des processus tels que :

• séchage par ultrasons
• combustion dans un champ ultrasonore
• coagulation des aérosols

Dans le traitement par ultrasons des liquides, le principal facteur opérationnel est cavitation . Les processus technologiques suivants sont basés sur l'effet de cavitation :

• nettoyage par ultrasons
• métallisation et soudure
• effet capillaire sonore - pénétration des liquides dans les plus petits pores et fissures. Il est utilisé pour l'imprégnation de matériaux poreux et se produit lors de tout traitement par ultrasons de solides dans des liquides.
• cristallisation
• intensification des processus électrochimiques
• obtenir des aérosols
• destruction de micro-organismes et stérilisation par ultrasons des instruments

Courants acoustiques- l'un des principaux mécanismes de l'effet des ultrasons sur la matière. Elle est provoquée par l’absorption de l’énergie ultrasonore dans la substance et dans la couche limite. Les écoulements acoustiques diffèrent des écoulements hydrodynamiques par la faible épaisseur de la couche limite et la possibilité de son amincissement avec l'augmentation de la fréquence d'oscillation. Cela conduit à une diminution de l'épaisseur de la couche limite de température ou de concentration et à une augmentation des gradients de température ou de concentration qui déterminent le taux de transfert de chaleur ou de masse. Cela contribue à accélérer les processus de combustion, séchage, mélange, distillation, diffusion, extraction, imprégnation, sorption, cristallisation, dissolution, dégazage des liquides et des matières fondues. Dans un écoulement à haute énergie, l'influence de l'onde acoustique s'exerce grâce à l'énergie de l'écoulement lui-même, en modifiant sa turbulence. Dans ce cas, l’énergie acoustique ne peut représenter qu’une fraction d’un pour cent de l’énergie du flux.

Lorsqu'une onde sonore de haute intensité traverse un liquide, ce qu'on appelle cavitation acoustique . Dans une onde sonore intense, pendant les demi-périodes de raréfaction, des bulles de cavitation apparaissent, qui s'effondrent brusquement lors du déplacement vers une zone de haute pression. Dans la région de cavitation, de puissantes perturbations hydrodynamiques apparaissent sous forme d’ondes de microchocs et de microflux. De plus, l'effondrement des bulles s'accompagne d'un fort échauffement local de la substance et d'un dégagement de gaz. Une telle exposition conduit à la destruction même de substances aussi durables que l'acier et le quartz. Cet effet est utilisé pour disperser des solides, produire de fines émulsions de liquides non miscibles, exciter et accélérer des réactions chimiques, détruire des micro-organismes et extraire des enzymes de cellules animales et végétales. La cavitation détermine également des effets tels qu'une faible lueur d'un liquide sous l'influence des ultrasons - sonoluminescence , et pénétration anormalement profonde du liquide dans les capillaires - effet sonocapillaire .

La dispersion par cavitation des cristaux de carbonate de calcium (calcaire) est à la base des dispositifs anticalcaires acoustiques. Sous l'influence des ultrasons, les particules dans l'eau se divisent, leurs tailles moyennes diminuent de 10 à 1 micron, leur nombre et la surface totale des particules augmentent. Cela conduit au transfert du processus de formation de tartre de la surface d'échange thermique directement dans le liquide. Les ultrasons affectent également la couche de tartre formée, y formant des microfissures qui contribuent à la rupture des morceaux de tartre de la surface d'échange thermique.

Dans les installations de nettoyage par ultrasons, grâce à la cavitation et aux microflux qu'elle génère, les contaminants aussi bien liés à la surface, comme le tartre, le tartre, les bavures, que les contaminants mous, comme les films gras, la saleté, etc., sont éliminés. Le même effet est utilisé pour intensifier les processus électrolytiques.

Sous l'influence des ultrasons, un effet aussi curieux se produit que la coagulation acoustique, c'est-à-dire convergence et agrandissement des particules en suspension dans les liquides et les gaz. Le mécanisme physique de ce phénomène n’est pas encore complètement clair. La coagulation acoustique est utilisée pour le dépôt de poussières, fumées et brouillards industriels à des fréquences basses pour les ultrasons, jusqu'à 20 kHz. Il est possible que les effets bénéfiques de la sonnerie des cloches des églises soient basés sur cet effet.

Le traitement mécanique des solides par ultrasons repose sur les effets suivants :

• réduction des frottements entre surfaces lors des vibrations ultrasonores de l'une d'entre elles
• diminution de la limite d'élasticité ou déformation plastique sous l'influence des ultrasons
• renforcement et réduction des contraintes résiduelles dans les métaux sous l'impact d'un outil à fréquence ultrasonore
• Les effets combinés de la compression statique et des vibrations ultrasonores sont utilisés dans le soudage par ultrasons

Il existe quatre types d’usinage par ultrasons :

• traitement dimensionnel de pièces en matériaux durs et cassants
• découpe de matériaux difficiles à couper avec application d'ultrasons sur l'outil de coupe
• ébavurage dans un bain à ultrasons
• broyage de matériaux visqueux avec nettoyage par ultrasons de la meule

Effets des ultrasons sur les objets biologiques provoque une variété d'effets et de réactions dans les tissus corporels, ce qui est largement utilisé en thérapie par ultrasons et en chirurgie. L'échographie est un catalyseur qui accélère l'établissement d'un équilibre, d'un point de vue physiologique, de l'état du corps, c'est-à-dire état sain. L'échographie a un effet beaucoup plus important sur les tissus malades que sur les tissus sains. La pulvérisation par ultrasons de médicaments pour inhalation est également utilisée. La chirurgie par ultrasons repose sur les effets suivants : la destruction des tissus par les ultrasons focalisés eux-mêmes et l'application de vibrations ultrasonores sur un instrument chirurgical coupant.

Les appareils à ultrasons sont utilisés pour la conversion et le traitement analogique des signaux électroniques et pour le contrôle des signaux lumineux en optique et optoélectronique. Les ultrasons à basse vitesse sont utilisés dans les lignes à retard. Le contrôle des signaux optiques repose sur la diffraction de la lumière par ultrasons. L'un des types d'une telle diffraction, appelée diffraction de Bragg, dépend de la longueur d'onde des ultrasons, ce qui permet d'isoler un intervalle de fréquence étroit d'un large spectre de rayonnement lumineux, c'est-à-dire filtrer la lumière.

L'échographie est une chose extrêmement intéressante et on peut supposer que bon nombre de ses applications pratiques sont encore inconnues de l'humanité. Nous aimons et connaissons l’échographie et serons heureux de discuter de toute idée liée à son application.

Où est utilisée l'échographie - tableau récapitulatif

Notre société, Koltso-Energo LLC, est engagée dans la production et l'installation de dispositifs anticalcaires acoustiques "Acoustic-T". Les appareils produits par notre société se distinguent par un niveau de signal ultrasonore exceptionnellement élevé, ce qui leur permet de fonctionner sur des chaudières sans traitement d'eau et des chaudières vapeur-eau avec eau artésienne. Mais la prévention du tartre ne représente qu’une très petite partie de ce que les ultrasons peuvent faire. Cet outil naturel étonnant a d’énormes possibilités et nous souhaitons vous en parler. Les employés de notre entreprise travaillent depuis de nombreuses années dans les principales entreprises russes impliquées dans le secteur de l'acoustique. Nous en savons beaucoup sur l'échographie. Et si soudain le besoin se fait sentir d'utiliser les ultrasons dans votre technologie,