13. Acústica(do grego ἀκούω (akuo) - ouvir) - a ciência do som, que estuda a natureza física do som e os problemas associados à sua ocorrência, distribuição, percepção e impacto. A acústica é uma das áreas da física (mecânica) que estuda vibrações e ondas elásticas desde as mais baixas (convencionalmente de 0 Hz) até as altas frequências.

A acústica é uma ciência interdisciplinar que utiliza uma ampla gama de disciplinas para resolver seus problemas: matemática, física, psicologia, arquitetura, eletrônica, biologia, medicina, higiene, teoria musical e outras.

Às vezes (na vida cotidiana) sob acústica entenda também um sistema acústico - um dispositivo elétrico projetado para converter uma corrente de frequência variável em vibrações sonoras usando conversão eletroacústica. O termo acústica também é aplicável para denotar propriedades vibracionais associadas à qualidade da propagação do som em qualquer sistema ou sala, por exemplo, “boa acústica de uma sala de concertos”.

O termo "acústica" (francês) acústica) foi introduzido em 1701 por J. Sauveur.

Tom em linguística, o uso do tom para distinguir o significado das palavras/morfemas. O tom deve ser diferenciado da entonação, isto é, mudanças no tom em um segmento de fala relativamente grande (declaração ou frase). Várias unidades tonais que possuem função semântico-distintiva podem ser chamadas de tons (por analogia com um fonema).

O tom, assim como a entonação, a fonação e a ênfase, refere-se a características suprassegmentais ou prosódicas. Os portadores do tom são na maioria das vezes vogais, mas há línguas onde as consoantes, na maioria das vezes sonantes, também podem desempenhar esse papel.

Uma linguagem tonal ou tonal é uma linguagem em que cada sílaba é pronunciada com um tom específico. Uma variedade de línguas tonais também são línguas com acento musical, nas quais uma ou mais sílabas de uma palavra são enfatizadas e diferentes tipos de ênfase são contrastados com características tonais.

Os contrastes de tons podem ser combinados com os de fonação (como são muitas línguas do Sudeste Asiático).

Barulho- oscilações aleatórias de diversas naturezas físicas, caracterizadas pela complexidade da sua estrutura temporal e espectral. Originalmente a palavra barulho referia-se exclusivamente às vibrações sonoras, mas na ciência moderna foi estendido a outros tipos de vibrações (rádio, eletricidade).

Barulho- um conjunto de sons aperiódicos de intensidade e frequência variadas. Do ponto de vista fisiológico, ruído é qualquer som percebido desfavorável.

Boom acústico e sônico- este é o som associado às ondas de choque criadas pelo voo supersônico de uma aeronave. Um estrondo sônico cria uma enorme quantidade de energia sonora, semelhante a uma explosão. O som de um chicote é um exemplo claro de estrondo acústico. É o momento em que o avião rompe a barreira do som e, então, rompendo sua própria onda sonora, cria um som poderoso e instantâneo que se espalha pelas laterais. Mas no próprio avião não é audível, pois o som “fica atrás” dele. O som lembra o tiro de um canhão superpoderoso, sacudindo todo o céu e, portanto, recomenda-se que aeronaves supersônicas mudem para distância supersônica das cidades para não perturbar ou assustar os cidadãos.

Parâmetros físicos do som

Velocidade oscilatória medido em m/s ou cm/s. Em termos de energia, os sistemas oscilatórios reais são caracterizados por uma mudança na energia devido ao gasto parcial no trabalho contra as forças de atrito e radiação no espaço circundante. Em um meio elástico, as vibrações desaparecem gradualmente. Para características oscilações amortecidas São utilizados coeficiente de amortecimento (S), decremento logarítmico (D) e fator de qualidade (Q).

Coeficiente de atenuação reflete a taxa na qual a amplitude diminui ao longo do tempo. Se denotarmos o tempo durante o qual a amplitude diminui em e = 2,718 vezes, então:

A diminuição da amplitude por ciclo é caracterizada por um decréscimo logarítmico. O decremento logarítmico é igual à razão entre o período de oscilação e o tempo de amortecimento:

Se um sistema oscilatório com perdas sofre a ação de uma força periódica, então oscilações forçadas , cuja natureza, em um grau ou outro, repete as mudanças nas forças externas. A frequência das oscilações forçadas não depende dos parâmetros do sistema oscilatório. Pelo contrário, a amplitude depende da massa, resistência mecânica e flexibilidade do sistema. Este fenômeno, quando a amplitude da velocidade oscilatória atinge seu valor máximo, é denominado ressonância mecânica. Neste caso, a frequência das oscilações forçadas coincide com a frequência das oscilações naturais não amortecidas do sistema mecânico.

Em frequências de impacto significativamente inferiores à ressonante, a força harmônica externa é equilibrada quase exclusivamente pela força elástica. Em frequências de excitação próximas à ressonância, as forças de atrito desempenham o papel principal. Desde que a frequência da influência externa seja significativamente maior que a ressonante, o comportamento do sistema oscilatório depende da força de inércia ou da massa.

A capacidade de um meio de conduzir energia acústica, incluindo energia ultrassônica, é caracterizada pela resistência acústica. Impedância acústica ambiente é expresso pela razão entre a densidade do som e a velocidade volumétrica das ondas ultrassônicas. A resistência acústica específica de um meio é determinada pela razão entre a amplitude da pressão sonora no meio e a amplitude da velocidade vibracional de suas partículas. Quanto maior for a resistência acústica, maior será o grau de compressão e rarefação do meio para uma determinada amplitude de vibração das partículas do meio. Numericamente, a resistência acústica específica do meio (Z) é encontrada como o produto da densidade do meio () e da velocidade (c) de propagação das ondas ultrassônicas nele.

A impedância acústica específica é medida em Pascal-segundo sobre metro(Pa s/m) ou dina s/cm³ (GHS); 1 Pa s/m = 10 −1 dine s/cm³.

O valor da resistência acústica específica de um meio é frequentemente expresso em g/s cm², sendo 1 g/s cm² = 1 dine s/cm³. A impedância acústica de um meio é determinada pela absorção, refração e reflexão das ondas ultrassônicas.

Som ou pressão acústica em um meio é a diferença entre o valor instantâneo da pressão em um determinado ponto do meio na presença de vibrações sonoras e a pressão estática no mesmo ponto na sua ausência. Em outras palavras, a pressão sonora é uma pressão variável em um meio causada por vibrações acústicas. O valor máximo da pressão acústica variável (amplitude de pressão) pode ser calculado através da amplitude de vibração das partículas:

onde P é a pressão acústica máxima (amplitude de pressão);

A uma distância de metade do comprimento de onda (λ/2), o valor da amplitude da pressão muda de positivo para negativo, ou seja, a diferença de pressão em dois pontos espaçados um do outro por λ/2 ao longo do caminho de propagação da onda é igual a 2P.

Para expressar a pressão sonora em unidades SI, utiliza-se Pascal (Pa), igual à pressão de um newton por metro quadrado (N/m²). A pressão sonora no sistema SGS é medida em dyn/cm²; 1 dina/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Junto com as unidades indicadas, são frequentemente utilizadas unidades de pressão não sistêmicas - atmosfera (atm) e atmosfera técnica (at), com 1 atm = 0,98·10 6 dinas/cm² = 0,98·10 5 N/m². Às vezes é usada uma unidade chamada barra ou microbar (barra acústica); 1 barra = 10 6 dinas/cm².

A pressão exercida sobre as partículas do meio durante a propagação das ondas é resultado da ação de forças elásticas e inerciais. Estas últimas são causadas por acelerações, cuja magnitude também aumenta durante o período de zero ao máximo (valor de amplitude da aceleração). Além disso, durante o período a aceleração muda de sinal.

Os valores máximos de aceleração e pressão que surgem em um meio quando ondas ultrassônicas passam por ele não coincidem no tempo para esta partícula. No momento em que a diferença de aceleração atinge o seu máximo, a diferença de pressão torna-se zero. O valor da amplitude da aceleração (a) é determinado pela expressão:

Se as ondas ultrassônicas em movimento encontrarem um obstáculo, elas experimentarão não apenas pressão variável, mas também pressão constante. As áreas de condensação e rarefação do meio que surgem durante a passagem das ondas ultrassônicas criam mudanças adicionais na pressão do meio em relação à pressão externa que o rodeia. Essa pressão externa adicional é chamada de pressão de radiação (pressão de radiação). Esta é a razão pela qual, quando as ondas ultrassônicas passam pela fronteira de um líquido com o ar, formam-se fontes de líquido e gotículas individuais são separadas da superfície. Este mecanismo encontrou aplicação na formação de aerossóis de substâncias medicinais. A pressão de radiação é frequentemente usada para medir a potência das vibrações ultrassônicas em medidores especiais - balanças ultrassônicas.

Intensidadesom (absoluto) - um valor igual à proporção fluxo de energia sonora dP através de uma superfície perpendicular à direção de propagação som, para a praça dS esta superfície:

Unidade - watt por quadrado metro(L/m2).

Para uma onda plana, a intensidade do som pode ser expressa em termos de amplitude pressão sonora p 0 E velocidade oscilatória v:

,

Onde Z S - ambiente.

O volume do som é uma característica subjetiva que depende da amplitude e, portanto, da energia da onda sonora. Quanto maior a energia, maior a pressão da onda sonora.

O nível de intensidade é uma característica objetiva do som.

Intensidade é a razão entre a potência sonora incidente em uma superfície e a área dessa superfície.É medido em W/m2 (watts por metro quadrado).

O nível de intensidade determina quantas vezes a intensidade do som é maior que a intensidade mínima percebida pelo ouvido humano.

Como a sensibilidade mínima percebida por uma pessoa, 10 -12 W/m2, difere da sensibilidade máxima, que causa dor - 1.013 W/m2, em muitas ordens de grandeza, o logaritmo da razão entre a intensidade do som e a intensidade mínima é usado.

Aqui k é o nível de intensidade, I é a intensidade do som, I 0 é a intensidade mínima do som percebida por uma pessoa ou intensidade limite.

O significado do logaritmo nesta fórmula é se a intensidade I muda em uma ordem de grandeza, então o nível de intensidade muda em uma unidade.

A unidade do nível de intensidade é 1 B (Bell). 1 Campainha - um nível de intensidade 10 vezes superior ao limite.

Na prática, o nível de intensidade é medido em dB (decibéis). Em seguida, a fórmula para calcular o nível de intensidade é reescrita da seguinte forma:

Pressão sonora- variável redundante pressão, surgindo em um meio elástico ao passar por ele onda sonora. Unidade - Pascal(Pá).

O valor instantâneo da pressão sonora em um ponto do meio muda tanto com o tempo quanto ao se mover para outros pontos do meio, portanto a raiz quadrada média desta quantidade, associada a intensidade sonora:

Onde - intensidade sonora, - pressão sonora, - impedância acústica específica ambiente, - média de tempo.

Ao considerar oscilações periódicas, às vezes é usada a amplitude da pressão sonora; então, para uma onda senoidal

onde está a amplitude da pressão sonora.

Nível de pressão sonora (Inglês SPL, nível de pressão sonora) - medido por escala relativa valor de pressão sonora referente à pressão de referência = 20 μPa correspondente ao limite audibilidade sinusoidal onda sonora frequência 1kHz:

dB.

Volume do som- subjetivo percepção força som(valor absoluto da sensação auditiva). O volume depende principalmente pressão sonora, amplitudes E frequências vibrações sonoras. Além disso, o volume de um som é influenciado por sua composição espectral, localização no espaço, timbre, duração da exposição às vibrações sonoras e outros fatores (ver. , ).

A unidade da escala de intensidade absoluta é fundo . O volume de 1 phon é o volume de um tom senoidal puro contínuo com frequência 1 kHz, criando pressão sonora 2 mPa.

Nível de volume do som- valor relativo. É expresso em planos de fundo e é numericamente igual ao nível pressão sonora(V decibéis- dB) produzido por uma onda senoidal com frequência 1 kHz o mesmo volume do som que está sendo medido (volume igual ao som fornecido).

Dependência do nível de volume da pressão e frequência sonora

A figura à direita mostra uma família de curvas de volume iguais, também chamadas isófones. São gráficos padronizados (padrão internacional ISO 226) dependências do nível de pressão sonora com a frequência em um determinado nível de volume. Usando este diagrama, você pode determinar o nível de volume de um tom puro de qualquer frequência, conhecendo o nível de pressão sonora que ele cria.

Equipamento de vigilância sonora

Por exemplo, se uma onda senoidal com frequência de 100 Hz cria um nível de pressão sonora de 60 dB, então, traçando linhas retas correspondentes a esses valores no diagrama, encontramos em sua intersecção um isófone correspondente a um nível de volume de 50 von. Isso significa que este som tem um nível de volume de 50 de fundo.

O isófone “fundo 0”, indicado por uma linha pontilhada, caracteriza limiar auditivo sons de frequências diferentes para normal audição.

Na prática, o que muitas vezes interessa não é o nível de volume expresso em fundos, mas o valor que indica o quanto um determinado som é mais alto que outro. Outra questão interessante é como se somam os volumes de dois tons diferentes. Portanto, se houver dois tons de frequências diferentes com nível de fundo 70 cada, isso não significa que o nível de volume total será igual a 140 fundo.

Dependência do volume do nível de pressão sonora (e intensidade sonora) é puramente não linear

curva, ela tem um caráter logarítmico. Quando o nível de pressão sonora aumenta em 10 dB, o volume do som aumenta 2 vezes. Isto significa que os níveis de volume de 40, 50 e 60 von correspondem a volumes de 1, 2 e 4 sones.

base física de métodos de pesquisa sólidos na clínica

O som, assim como a luz, é uma fonte de informação e este é o seu principal significado. Os sons da natureza, a fala das pessoas ao nosso redor, o barulho das máquinas em funcionamento nos dizem muito. Para imaginar o significado do som para uma pessoa, basta privar-se temporariamente da capacidade de perceber o som - feche os ouvidos. Naturalmente, o som também pode ser uma fonte de informação sobre o estado dos órgãos internos de uma pessoa.

Um método sólido comum para diagnosticar doenças é a ausculta (escuta). Para ausculta, é utilizado um estetoscópio ou estetoscópio. O fonendoscópio consiste em uma cápsula oca com uma membrana transmissora de som que é aplicada ao corpo do paciente, de onde saem tubos de borracha até o ouvido do médico. Na cápsula oca ocorre uma ressonância da coluna de ar, com o que o som se intensifica e a aucultação melhora. Ao auscultar os pulmões, são ouvidos sons respiratórios e vários sibilos característicos de doenças. Pelas alterações nos sons cardíacos e pelo aparecimento de sopros, pode-se avaliar o estado da atividade cardíaca. Usando a ausculta, você pode determinar a presença de peristaltismo do estômago e intestinos e ouvir os batimentos cardíacos fetais.

Para ouvir simultaneamente um paciente por vários investigadores para fins educativos ou durante uma consulta, é utilizado um sistema que inclui um microfone, um amplificador e um altifalante ou vários telefones.

Para diagnosticar o estado de atividade cardíaca, é utilizado um método semelhante à ausculta e denominado fonocardiografia (PCG). Este método consiste no registro gráfico de sons e sopros cardíacos e sua interpretação diagnóstica. O fonocardiograma é gravado por meio de um fonocardiógrafo, composto por um microfone, um amplificador, um sistema de filtros de frequência e um dispositivo de gravação.

Fundamentalmente diferente dos dois métodos sonoros descritos acima é a percussão. Com este método, o som de partes individuais do corpo é ouvido quando são tocadas. Esquematicamente, o corpo humano pode ser representado como um conjunto de volumes cheios de gás (pulmões), líquidos (órgãos internos) e sólidos (ossos). Ao atingir a superfície de um corpo, ocorrem vibrações cujas frequências possuem uma ampla faixa. A partir desta faixa, algumas vibrações desaparecerão rapidamente, enquanto outras, coincidindo com as vibrações naturais dos vazios, se intensificarão e, devido à ressonância, serão audíveis. Um médico experiente determina a condição e localização (tonografia) dos órgãos internos pelo tom dos sons de percussão.

15. Infra-som(de lat. infra- abaixo, abaixo) - ondas sonoras com frequência inferior à percebida pelo ouvido humano. Como o ouvido humano geralmente é capaz de ouvir sons na faixa de frequência de 16 a 20.000 Hz, 16 Hz é geralmente considerado o limite superior da faixa de frequência do infra-som. O limite inferior da faixa do infra-som é convencionalmente definido como 0,001 Hz. Oscilações de décimos e até centésimos de hertz, isto é, com períodos de dezenas de segundos, podem ter interesse prático.

A natureza da ocorrência das vibrações infra-sônicas é a mesma do som audível, portanto, o infra-som está sujeito às mesmas leis, e o mesmo aparato matemático é usado para descrevê-lo como para o som audível comum (exceto para conceitos relacionados ao nível sonoro) . O infra-som é fracamente absorvido pelo meio, por isso pode se espalhar por distâncias consideráveis ​​da fonte. Devido ao comprimento de onda muito longo, a difração é pronunciada.

O infra-som gerado no mar é apontado como um dos possíveis motivos para encontrar navios abandonados pela tripulação (ver Triângulo das Bermudas, Navio Fantasma).

Infra-som. O efeito do infra-som em objetos biológicos.

Infra-som- processos oscilatórios com frequências abaixo de 20 Hz. Infrassons– não são percebidos pela audição humana.

O infra-som tem um efeito adverso no estado funcional de vários sistemas do corpo: fadiga, dor de cabeça, sonolência, irritação, etc.

Supõe-se que o principal mecanismo de ação do infra-som no corpo seja de natureza ressonante.

Ultrassom, métodos de sua produção. Características físicas e características de propagação de ondas ultrassônicas. Interação do ultrassom com a matéria. Cavitação. Aplicações do ultrassom: ecolocalização, dispersão, detecção de falhas, corte ultrassônico.

Ultrassom –(EUA) são vibrações mecânicas e ondas cujas frequências são superiores a 20 kHz.

Para obter ultrassom, dispositivos chamados Ultrassom – emissor. O mais difundido emissores eletromecânicos, baseado no fenômeno do efeito piezoelétrico inverso.

Por sua natureza física Ultrassom representa ondas elásticas e nisso não é diferente de som. de 20.000 a um bilhão de Hz. A característica física fundamental das vibrações sonoras é a amplitude da onda, ou amplitude de deslocamento.

Ultrassom nos gases e, em particular, no ar, propaga-se com grande atenuação. Líquidos e sólidos (especialmente monocristais) são geralmente bons condutores. Ultrassom, atenuação, em que é significativamente menor. Por exemplo, na água, a atenuação do ultrassom, ceteris paribus, é aproximadamente 1000 vezes menor que no ar.

Cavitação– a compressão e a rarefação criadas pelo ultrassom levam à formação de descontinuidades na continuidade do líquido.

Aplicação de ultrassom:

Ecolocalização - um método pelo qual a posição de um objeto é determinada pelo tempo de atraso do retorno da onda refletida.

Dispersão - Moagem de sólidos ou líquidos sob a influência de vibrações ultrassônicas.

Detecção de falhas - procurar defeitos no material do produto pelo método ultrassônico, ou seja, emitindo e recebendo vibrações ultrassônicas, e analisando posteriormente sua amplitude, tempo de chegada, formato, etc. utilizando equipamento especial - ultrassônico detector de falhas.

Corte ultrassônico- baseia-se na transmissão de vibrações mecânicas ultrassônicas à ferramenta de corte, o que reduz significativamente a força de corte, o custo dos equipamentos e melhora a qualidade dos produtos fabricados (rosqueamento, furação, torneamento, fresamento). O corte ultrassônico é usado na medicina para cortar tecidos biológicos.

O efeito do ultrassom em objetos biológicos. O uso do ultrassom para diagnóstico e tratamento. Cirurgia de ultrassom. Vantagens dos métodos ultrassônicos.

Os processos físicos causados ​​​​pela influência do ultrassom causam os seguintes efeitos principais em objetos biológicos.

Microvibrações a nível celular e subcelular;

Destruição de biomacromoléculas;

Reestruturação e danos às membranas biológicas, alterações na permeabilidade das membranas;

Ação térmica;

Destruição de células e microorganismos.

As aplicações biomédicas do ultrassom podem ser divididas principalmente em duas áreas: métodos de diagnóstico e pesquisa e métodos de intervenção.

Método de diagnóstico:

1) incluem métodos de localização e o uso principalmente de radiação pulsada.

Z: encefalografia– detecção de tumores e edema cerebral, cardiografia ultrassonográfica– medição do tamanho do coração em dinâmica; em oftalmologia - localização ultrassônica para determinar o tamanho da mídia ocular. Usando o efeito Doppler, o padrão de movimento das válvulas cardíacas é estudado e a velocidade do fluxo sanguíneo é medida.

2) O tratamento inclui fisioterapia ultrassônica. Normalmente, o paciente é exposto a uma frequência de 800 kHz.

O principal mecanismo da terapia de ultrassom são os efeitos mecânicos e térmicos nos tecidos.

Para o tratamento de doenças como asma, tuberculose, etc. Utilizo aerossóis de diversas substâncias medicinais obtidas por ultrassom.

Durante as operações, o ultrassom é utilizado como um “bisturi ultrassônico”, capaz de cortar tecidos moles e ósseos. Atualmente, um novo método foi desenvolvido para “soldar” tecido ósseo danificado ou transplantado por meio de ultrassom (osteossíntese ultrassônica).

A principal vantagem do ultrassom sobre outros mutagênicos (raios X, raios ultravioleta) é que é extremamente fácil de trabalhar.

O efeito Doppler e seu uso na medicina.

efeito Doppler chame a mudança na frequência das ondas percebidas por um observador (receptor de ondas) devido ao movimento relativo da fonte da onda e do observador.

O efeito foi descrito pela primeira vezChristian DopplerV1842 ano.

O efeito Doppler é usado para determinar a velocidade do fluxo sanguíneo, a velocidade de movimento das válvulas e paredes do coração (ecocardiografia Doppler) e de outros órgãos.

A manifestação do efeito Doppler é amplamente utilizada em diversos dispositivos médicos, que, via de regra, utilizam ondas ultrassônicas na faixa de frequência de MHz.

Por exemplo, ondas de ultrassom refletidas nos glóbulos vermelhos podem ser usadas para determinar a velocidade do fluxo sanguíneo. Da mesma forma, este método pode ser usado para detectar o movimento do tórax fetal, bem como para monitorar remotamente os batimentos cardíacos.

16. Ultrassom- vibrações elásticas com frequência além do limite de audibilidade para humanos. Normalmente, a faixa ultrassônica é considerada frequências acima de 18.000 hertz.

Embora a existência do ultrassom seja conhecida há muito tempo, seu uso prático é bastante recente. Atualmente, o ultrassom é amplamente utilizado em diversos métodos físicos e tecnológicos. Assim, a velocidade de propagação do som em um meio é utilizada para julgar suas características físicas. As medições de velocidade em frequências ultrassônicas permitem determinar, por exemplo, as características adiabáticas de processos rápidos, a capacidade térmica específica dos gases e as constantes elásticas dos sólidos com erros muito pequenos.

A frequência das vibrações ultrassônicas utilizadas na indústria e na biologia situa-se na faixa da ordem de vários MHz. Tais vibrações são geralmente criadas usando transdutores piezocerâmicos feitos de titanita de bário. Nos casos em que a potência das vibrações ultrassônicas é de primordial importância, geralmente são utilizadas fontes mecânicas de ultrassom. Inicialmente, todas as ondas ultrassônicas eram recebidas mecanicamente (diapasões, apitos, sirenes).

Na natureza, o ultrassom é encontrado tanto como componente de muitos ruídos naturais (no ruído do vento, da cachoeira, da chuva, no ruído dos seixos rolados pelas ondas do mar, nos sons que acompanham as descargas de trovoadas, etc.), quanto entre os sons do mundo animal. Alguns animais usam ondas ultrassônicas para detectar obstáculos e navegar no espaço.

Os emissores de ultrassom podem ser divididos em dois grandes grupos. O primeiro inclui emissores-geradores; as oscilações neles são excitadas devido à presença de obstáculos no caminho de um fluxo constante - um fluxo de gás ou líquido. O segundo grupo de emissores são os transdutores eletroacústicos; eles convertem flutuações já dadas na tensão ou corrente elétrica em vibrações mecânicas de um corpo sólido, que emite ondas acústicas para o ambiente.

Propriedades físicas do ultrassom

A utilização do ultrassom no diagnóstico médico está associada à possibilidade de obtenção de imagens de órgãos e estruturas internas. A base do método é a interação do ultrassom com os tecidos do corpo humano. A aquisição real da imagem pode ser dividida em duas partes. A primeira é a emissão de pulsos ultrassônicos curtos direcionados aos tecidos examinados e a segunda é a formação de uma imagem baseada nos sinais refletidos. Compreender o princípio de funcionamento de uma unidade de diagnóstico por ultrassom, o conhecimento da física básica do ultrassom e sua interação com os tecidos do corpo humano ajudarão a evitar o uso mecânico e impensado do aparelho e, portanto, a abordar o processo de diagnóstico com mais competência.

O som é uma onda longitudinal mecânica na qual as vibrações das partículas estão no mesmo plano da direção de propagação da energia (Fig. 1).

Arroz. 1. Representação visual e gráfica das alterações de pressão e densidade numa onda ultrassónica.

Uma onda carrega energia, mas não matéria. Ao contrário das ondas eletromagnéticas (luz, ondas de rádio, etc.), o som requer um meio para se propagar - não pode se propagar no vácuo. Como todas as ondas, o som pode ser descrito por vários parâmetros. São frequência, comprimento de onda, velocidade de propagação no meio, período, amplitude e intensidade. A frequência, o período, a amplitude e a intensidade são determinados pela fonte sonora, a velocidade de propagação é determinada pelo meio e o comprimento de onda é determinado pela fonte sonora e pelo meio. Frequência é o número de oscilações completas (ciclos) durante um período de 1 segundo (Fig. 2).

Arroz. 2. Frequência da onda ultrassônica 2 ciclos em 1 s = 2 Hz

As unidades de frequência são hertz (Hz) e megahertz (MHz). Um hertz é uma vibração por segundo. Um megahertz = 1.000.000 hertz. O que torna o som "ultra"? Esta é a frequência. O limite superior do som audível, 20.000 Hz (20 quilohertz (kHz)), é o limite inferior da faixa ultrassônica. Os localizadores ultrassônicos de morcegos operam na faixa de 25 a 500 kHz. Os aparelhos de ultrassom modernos utilizam ultrassom com frequência de 2 MHz ou superior para obter imagens. O período é o tempo necessário para obter um ciclo completo de oscilações (Fig. 3).

Arroz. 3. Período da onda ultrassônica.

As unidades de período são segundo (s) e microssegundo (µseg). Um microssegundo é um milionésimo de segundo. Período (µseg) = 1/frequência (MHz). O comprimento de onda é o comprimento que uma vibração ocupa no espaço (Fig. 4).

Arroz. 4. Comprimento de onda.

As unidades de medida são metro (m) e milímetro (mm). A velocidade do ultrassom é a velocidade com que a onda viaja através de um meio. As unidades de velocidade de propagação do ultrassom são metros por segundo (m/s) e milímetros por microssegundo (mm/µseg). A velocidade de propagação do ultrassom é determinada pela densidade e elasticidade do meio. A velocidade de propagação do ultrassom aumenta com o aumento da elasticidade e a diminuição da densidade do meio. A Tabela 2.1 mostra a velocidade de propagação do ultrassom em alguns tecidos do corpo humano.

Tabela 2.1. Velocidade de propagação do ultrassom em tecidos moles
Têxtil	Velocidade de propagação do ultrassom em mm/µseg
Tecido adiposo
Tecido mole (média)
Água (20°C)

A velocidade média de propagação do ultrassom nos tecidos do corpo humano é de 1.540 m/s - a maioria dos dispositivos de diagnóstico por ultrassom são programados para essa velocidade. A velocidade de propagação do ultrassom (C), frequência (f) e comprimento de onda (λ) estão relacionados entre si pela seguinte equação: C = f × λ. Como no nosso caso a velocidade é considerada constante (1540 m/s), as duas variáveis ​​restantes f e λ estão relacionadas entre si por uma relação inversamente proporcional. Quanto maior a frequência, menor será o comprimento de onda e menor será o tamanho dos objetos que podemos ver. Outro parâmetro ambiental importante é a impedância acústica (Z). A resistência acústica é o produto da densidade do meio e da velocidade de propagação do ultrassom. Resistência (Z) = densidade (p) × velocidade de propagação (C).

Para obter uma imagem no diagnóstico ultrassonográfico, não é o ultrassom que é emitido continuamente por um transdutor (onda constante), mas sim o ultrassom emitido na forma de pulsos curtos (pulso). É gerado pela aplicação de pulsos elétricos curtos ao elemento piezoelétrico. Parâmetros adicionais são usados ​​para caracterizar o ultrassom pulsado. A taxa de repetição de pulso é o número de pulsos emitidos por unidade de tempo (segundo). A frequência de repetição do pulso é medida em hertz (Hz) e quilohertz (kHz). A duração do pulso é a duração de um pulso (Fig. 5).

Arroz. 5. Duração do pulso ultrassônico.

Medido em segundos (s) e microssegundos (µseg). O fator de ocupação é a fração de tempo durante a qual o ultrassom é emitido (na forma de pulsos). A extensão do pulso espacial (SPR) é o comprimento do espaço no qual um pulso ultrassônico é colocado (Fig. 6).

Arroz. 6. Extensão espacial do pulso.

Para tecidos moles, a extensão espacial do pulso (mm) é igual ao produto de 1,54 (velocidade de propagação do ultrassom em mm/µseg) e o número de oscilações (ciclos) no pulso (n) dividido pela frequência em MHz. Ou PPI = 1,54 × n/f. A redução da extensão espacial do pulso pode ser alcançada (e isso é muito importante para melhorar a resolução axial) reduzindo o número de oscilações no pulso ou aumentando a frequência. A amplitude da onda ultrassônica é o desvio máximo da variável física observada do valor médio (Fig. 7).

Arroz. 7. Amplitude da onda ultrassônica

A intensidade do ultrassom é a relação entre a potência da onda e a área sobre a qual o fluxo ultrassônico é distribuído. É medido em watts por centímetro quadrado (W/cm²). Com igual potência de radiação, quanto menor for a área de fluxo, maior será a intensidade. A intensidade também é proporcional ao quadrado da amplitude. Portanto, se a amplitude duplicar, a intensidade quadruplicará. A intensidade não é uniforme tanto na área de fluxo quanto, no caso do ultrassom pulsado, ao longo do tempo.

Ao passar por qualquer meio, haverá uma diminuição na amplitude e intensidade do sinal ultrassônico, o que é chamado de atenuação. A atenuação do sinal ultrassônico é causada por absorção, reflexão e dispersão. A unidade de atenuação é decibel (dB). O coeficiente de atenuação é a atenuação de um sinal ultrassônico por unidade de comprimento de caminho deste sinal (dB/cm). O coeficiente de atenuação aumenta com o aumento da frequência. Os coeficientes médios de atenuação dos tecidos moles e a diminuição da intensidade do sinal de eco em função da frequência são apresentados na Tabela 2.2.

Tabela 2.2. Coeficientes médios de atenuação em tecidos moles
Frequência, MHz	Coeficiente de atenuação médio para tecidos moles, dB/cm	Reduzindo a intensidade com profundidade
		1 cm (%)	10 centímetros (%)

) e sons musicais (que compõem a música). Os sons musicais contêm não um, mas vários tons e, às vezes, componentes de ruído em uma ampla faixa de frequências.

Conceito de som

As ondas sonoras no ar são áreas alternadas de compressão e rarefação.

As ondas sonoras podem servir como exemplo de processo oscilatório. Qualquer oscilação está associada a uma violação do estado de equilíbrio do sistema e se expressa no desvio de suas características dos valores de equilíbrio com posterior retorno ao valor original. Para vibrações sonoras, esta característica é a pressão em um ponto do meio, e seu desvio é a pressão sonora.

Se você fizer um deslocamento brusco de partículas de um meio elástico em um local, por exemplo, usando um pistão, a pressão nesse local aumentará. Graças às ligações elásticas das partículas, a pressão é transmitida às partículas vizinhas, que, por sua vez, atuam nas próximas, e a área de aumento de pressão parece se mover em um meio elástico. Uma região de alta pressão é seguida por uma região de baixa pressão, formando-se assim uma série de regiões alternadas de compressão e rarefação, propagando-se no meio em forma de onda. Cada partícula do meio elástico, neste caso, realizará movimentos oscilatórios.

Em meios líquidos e gasosos, onde não há oscilações significativas de densidade, as ondas acústicas são de natureza longitudinal, ou seja, a direção de vibração das partículas coincide com a direção de movimento da onda. Nos sólidos, além das deformações longitudinais, também ocorrem deformações elásticas de cisalhamento, causando a excitação de ondas transversais (cisalhantes); neste caso, as partículas oscilam perpendicularmente à direção de propagação da onda. A velocidade de propagação das ondas longitudinais é muito maior que a velocidade de propagação das ondas de cisalhamento.

Na filosofia, na psicologia e na ecologia das comunicações, o som é estudado em relação ao seu impacto na percepção e no pensamento (estamos a falar, por exemplo, do espaço acústico como um espaço criado pela influência das comunicações electrónicas).

Parâmetros físicos do som

A velocidade do som no ar depende da temperatura e em condições normais é de aproximadamente 340 m/s.

A velocidade do som em qualquer meio é calculada pela fórmula:

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

Onde β (\ displaystyle \ beta)- compressibilidade adiabática do meio; ρ (\ displaystyle \ rho )- densidade.

Volume do som

Volume do som- percepção subjetiva da força sonora (valor absoluto da sensação auditiva). A intensidade depende principalmente da pressão sonora, amplitude e frequência das vibrações sonoras. Além disso, o volume de um som é influenciado por sua composição espectral, localização no espaço, timbre, duração da exposição às vibrações sonoras, sensibilidade individual do analisador auditivo humano e outros fatores.

Geração de som

Normalmente, corpos oscilantes de diversas naturezas são utilizados para gerar som, causando vibrações no ar circundante. Um exemplo dessa geração é o uso de cordas vocais, alto-falantes ou diapasão. A maioria dos instrumentos musicais baseia-se no mesmo princípio. Uma exceção são os instrumentos de sopro, nos quais o som é gerado pela interação do fluxo de ar com as heterogeneidades do instrumento. Para criar um som coerente, são usados ​​​​os chamados lasers de som ou fônons.

Diagnóstico de ultrassom

Ultrassom- vibrações sonoras elásticas de alta frequência. O ouvido humano percebe ondas elásticas que se propagam no meio com frequência de até aproximadamente 16 Hz-20 kHz; Vibrações de frequência mais alta são ultrassons (além do limite audível).

Propagação de ultrassom

A propagação do ultrassom é o processo de movimento no espaço e no tempo de perturbações que ocorrem em uma onda sonora.

Uma onda sonora se propaga em uma substância no estado gasoso, líquido ou sólido na mesma direção em que as partículas dessa substância são deslocadas, ou seja, causa deformação do meio. A deformação consiste no fato de ocorrer uma rarefação e compressão sucessivas de determinados volumes do meio, e a distância entre duas áreas adjacentes corresponde ao comprimento da onda ultrassônica. Quanto maior for a resistência acústica específica do meio, maior será o grau de compressão e rarefação do meio numa determinada amplitude de vibração.

As partículas do meio envolvidas na transferência da energia das ondas oscilam em torno de sua posição de equilíbrio. A velocidade na qual as partículas oscilam em torno da posição média de equilíbrio é chamada de velocidade oscilatória. A velocidade vibracional das partículas muda de acordo com a equação:

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

onde V é a magnitude da velocidade oscilatória;

• U é a amplitude da velocidade oscilatória;
• f - frequência ultrassonográfica;
• t - tempo;
• G é a diferença de fase entre a velocidade vibracional das partículas e a pressão acústica variável.

A amplitude da velocidade oscilatória caracteriza a velocidade máxima com que as partículas do meio se movem durante o processo de oscilação e é determinada pela frequência das oscilações e pela amplitude do deslocamento das partículas do meio.

você = 2 π f A (\estilo de exibição U=2\pi fA),

Difração, interferência

Quando as ondas ultrassônicas se propagam, são possíveis fenômenos de difração, interferência e reflexão.

A difração (ondas que contornam obstáculos) ocorre quando o comprimento de onda ultrassônico é comparável (ou maior) ao tamanho do obstáculo no caminho. Se o obstáculo for grande comparado ao comprimento de onda acústico, então não há fenômeno de difração.

Quando várias ondas ultrassônicas se movem simultaneamente em um meio, ocorre uma superposição (sobreposição) dessas ondas em cada ponto específico do meio. A superposição de ondas da mesma frequência umas sobre as outras é chamada de interferência. Se as ondas ultrassônicas se cruzam ao passar por um objeto, então, em certos pontos do meio, é observado um aumento ou diminuição nas vibrações. Neste caso, o estado do ponto do meio onde ocorre a interação depende da relação de fases das vibrações ultrassônicas neste ponto. Se as ondas ultrassônicas atingem uma determinada área do meio nas mesmas fases (em fase), então os deslocamentos das partículas têm os mesmos sinais e a interferência nessas condições leva a um aumento na amplitude das oscilações. Se as ondas chegarem a um ponto do meio em antifase, então o deslocamento das partículas será em direções diferentes, o que leva a uma diminuição na amplitude das oscilações.

Absorção de ondas ultrassônicas

Como o meio no qual o ultrassom se propaga possui viscosidade, condutividade térmica e outras causas de atrito interno, a absorção ocorre à medida que a onda se propaga, ou seja, à medida que se afasta da fonte, a amplitude e a energia das vibrações ultrassônicas tornam-se menores. O meio no qual o ultrassom se propaga interage com a energia que passa por ele e absorve parte dela. A parte predominante da energia absorvida é convertida em calor, a menor parte provoca alterações estruturais irreversíveis na substância transmissora. A absorção é o resultado do atrito de partículas umas contra as outras; é diferente em diferentes meios. A absorção também depende da frequência das vibrações ultrassônicas. Teoricamente, a absorção é proporcional ao quadrado da frequência.

A quantidade de absorção pode ser caracterizada pelo coeficiente de absorção, que mostra como a intensidade do ultrassom muda no meio irradiado. Aumenta com o aumento da frequência. A intensidade das vibrações ultrassônicas no meio diminui exponencialmente. Este processo é causado pelo atrito interno, pela condutividade térmica do meio absorvente e pela sua estrutura. É aproximadamente caracterizado pelo tamanho da camada semiabsorvente, que mostra a que profundidade a intensidade das vibrações diminui pela metade (mais precisamente, 2,718 vezes ou 63%). Segundo Pahlman, na frequência de 0,8 MHz, os valores médios da camada semiabsorvente para alguns tecidos são os seguintes: tecido adiposo - 6,8 cm; muscular - 3,6 cm; tecido adiposo e muscular juntos - 4,9 cm.Com o aumento da frequência do ultrassom, o tamanho da camada semi-absorvente diminui. Assim, na frequência de 2,4 MHz, a intensidade do ultrassom que passa pelo tecido adiposo e muscular é reduzida à metade na profundidade de 1,5 cm.

Além disso, é possível a absorção anormal da energia das vibrações ultrassônicas em algumas faixas de frequência - isso depende das características da estrutura molecular de um determinado tecido. Sabe-se que 2/3 da energia do ultrassom é atenuada no nível molecular e 1/3 no nível das estruturas microscópicas dos tecidos.

Profundidade de penetração de ondas ultrassônicas

A profundidade de penetração do ultrassom refere-se à profundidade na qual a intensidade é reduzida à metade. Este valor é inversamente proporcional à absorção: quanto mais fortemente o meio absorve o ultrassom, menor é a distância na qual a intensidade do ultrassom é atenuada pela metade.

Dispersão de ondas ultrassônicas

Se houver heterogeneidades no meio, ocorre a dispersão do som, o que pode alterar significativamente o padrão simples de propagação do ultrassom e, em última análise, também fazer com que a onda se atenue na direção original de propagação.

Refração de ondas ultrassônicas

Como a resistência acústica dos tecidos moles humanos não difere muito da resistência da água, pode-se supor que a refração das ondas ultrassônicas será observada na interface entre os meios (epiderme - derme - fáscia - músculo).

Reflexão de ondas ultrassônicas

O diagnóstico por ultrassom é baseado no fenômeno da reflexão. A reflexão ocorre nas áreas fronteiriças de pele e gordura, gordura e músculo, músculo e osso. Se o ultrassom, durante a propagação, encontrar um obstáculo, ocorre a reflexão; se o obstáculo for pequeno, o ultrassom parece fluir em torno dele. As heterogeneidades do corpo não causam desvios significativos, pois em comparação com o comprimento de onda (2 mm) seus tamanhos (0,1-0,2 mm) podem ser desprezados. Se o ultrassom em seu caminho encontrar órgãos cujas dimensões sejam maiores que o comprimento de onda, ocorrerá a refração e a reflexão do ultrassom. A reflexão mais forte é observada nas fronteiras do tecido ósseo circundante e do tecido - ar. O ar tem baixa densidade e é observada reflexão quase completa do ultrassom. A reflexão das ondas ultrassônicas é observada na fronteira músculo - periósteo - osso, na superfície dos órgãos ocos.

Ondas ultrassônicas viajando e estacionárias

Se, quando as ondas ultrassônicas se propagam em um meio, elas não são refletidas, formam-se ondas progressivas. Como resultado das perdas de energia, os movimentos oscilatórios das partículas do meio enfraquecem gradualmente, e quanto mais longe as partículas estão da superfície radiante, menor é a amplitude de suas oscilações. Se no caminho de propagação das ondas ultrassônicas existem tecidos com diferentes resistências acústicas específicas, então, em um grau ou outro, as ondas ultrassônicas são refletidas a partir da interface limite. A superposição de ondas ultrassônicas incidentes e refletidas pode resultar em ondas estacionárias. Para que ocorram ondas estacionárias, a distância da superfície emissora à superfície refletora deve ser um múltiplo da metade do comprimento de onda.

Infra-som

O infra-som gerado no mar é apontado como um dos possíveis motivos para encontrar navios abandonados pela tripulação.

Experimentos e demonstrações

A trombeta de Rubens é usada para demonstrar ondas sonoras estacionárias.

A diferença na velocidade de propagação do som é clara: quando inalam hélio em vez de ar, e dizem algo enquanto exalam com ele, a voz fica mais alta. Se o gás for hexafluoreto de enxofre SF 6, a voz soará mais baixa. Isso se deve ao fato dos gases serem aproximadamente igualmente bem comprimidos, portanto, no hélio, que tem densidade muito baixa em relação ao ar, a velocidade do som aumenta, e diminui no hexafluoreto de enxofre, que tem densidade muito alta para gases, enquanto as dimensões do ressonador oral humano permanecem inalteradas, em Como resultado, a frequência de ressonância muda, uma vez que quanto maior a velocidade do som, maior a frequência de ressonância, com outras condições permanecendo inalteradas.

O ultrassom representa ondas longitudinais que possuem uma frequência de oscilação superior a 20 kHz. Isto é superior à frequência das vibrações percebidas pelo aparelho auditivo humano. Uma pessoa pode perceber frequências na faixa de 16 a 20 KHz, elas são chamadas de som. As ondas ultrassônicas parecem uma série de condensações e rarefações de uma substância ou meio. Devido às suas propriedades, são amplamente utilizados em muitos campos.

O que é isso

A faixa ultrassônica inclui frequências que variam de 20 mil a vários bilhões de hertz. Estas são vibrações de alta frequência que estão além da faixa de audibilidade do ouvido humano. No entanto, algumas espécies de animais percebem muito bem as ondas ultrassônicas. São golfinhos, baleias, ratos e outros mamíferos.

De acordo com suas propriedades físicas, as ondas ultrassônicas são elásticas, portanto não diferem das ondas sonoras. Como resultado, a diferença entre vibrações sonoras e ultrassônicas é muito arbitrária, porque depende da percepção subjetiva da audição de uma pessoa e é igual ao nível superior do som audível.

Mas a presença de frequências mais altas e, portanto, de um comprimento de onda curto, confere às vibrações ultrassônicas certas características:

• As frequências ultrassônicas possuem diferentes velocidades de movimento através de diferentes substâncias, por isso é possível determinar com alta precisão as propriedades dos processos em andamento, a capacidade térmica específica dos gases, bem como as características de um sólido.
• Ondas de intensidade significativa têm certos efeitos que estão sujeitos à acústica não linear.
• Quando as ondas ultrassônicas se movem com potência significativa em um meio líquido, ocorre o fenômeno da cavitação acústica. Este fenômeno é muito importante porque, como resultado, é criado um campo de bolhas, que são formadas a partir de partículas submicroscópicas de gás ou vapor em um meio aquoso ou outro meio. Eles pulsam com uma certa frequência e fecham com enorme pressão local. Isso cria ondas de choque esféricas, o que leva ao aparecimento de fluxos acústicos microscópicos. Usando esse fenômeno, os cientistas aprenderam a limpar peças contaminadas, bem como a criar torpedos que se movem na água mais rápido que a velocidade do som.
• O ultrassom pode ser focado e concentrado, permitindo a criação de padrões sonoros. Esta propriedade tem sido usada com sucesso em holografia e visão sonora.
• Uma onda ultrassônica pode muito bem atuar como uma rede de difração.

Propriedades

As ondas ultrassônicas têm propriedades semelhantes às ondas sonoras, mas também possuem características específicas:

• Comprimento de onda curto. Mesmo para uma borda baixa, o comprimento é inferior a alguns centímetros. Um comprimento tão pequeno leva à natureza radial do movimento das vibrações ultrassônicas. Diretamente próximo ao emissor, a onda viaja em forma de feixe, que se aproxima dos parâmetros do emissor. Porém, encontrando-se em um ambiente não homogêneo, o feixe se move como um raio de luz. Também pode ser refletido, espalhado, refratado.
• O período de oscilação é curto, possibilitando a utilização de vibrações ultrassônicas na forma de pulsos.
• O ultrassom não pode ser ouvido e não cria efeito irritante.
• Quando exposto a vibrações ultrassônicas em determinados meios, efeitos específicos podem ser alcançados. Por exemplo, você pode criar aquecimento local, desgaseificação, desinfecção do ambiente, cavitação e muitos outros efeitos.

Princípio de funcionamento

Vários dispositivos são usados ​​para criar vibrações ultrassônicas:

• Mecânico, onde a fonte é a energia de um líquido ou gás.
• Eletromecânico, onde a energia ultrassônica é criada a partir da energia elétrica.

Apitos e sirenes movidos a ar ou líquido podem atuar como emissores mecânicos. Eles são convenientes e simples, mas têm suas desvantagens. Portanto, sua eficiência está na faixa de 10 a 20%. Eles criam um amplo espectro de frequências com amplitude e frequência instáveis. Isto leva ao fato de que tais dispositivos não podem ser usados ​​em condições onde a precisão é necessária. Na maioria das vezes eles são usados ​​como dispositivos de sinalização.

Dispositivos eletromecânicos utilizam o princípio do efeito piezoelétrico. Sua peculiaridade é que quando cargas elétricas se formam nas faces do cristal, ele se contrai e se estica. Como resultado, são criadas oscilações com uma frequência que depende do período de mudança de potencial nas superfícies do cristal.

Além dos transdutores baseados no efeito piezoelétrico, também podem ser utilizados transdutores magnetostritivos. Eles são usados ​​para criar um poderoso feixe ultrassônico. O núcleo, feito de material magnetostritivo, colocado em um enrolamento condutor, muda seu próprio comprimento de acordo com o formato do sinal elétrico que entra no enrolamento.

Aplicativo

O ultrassom é amplamente utilizado em uma ampla variedade de campos.

Na maioria das vezes é usado nas seguintes áreas:

• Obtenção de dados sobre uma substância específica.
• Processamento e transmissão de sinais.
• Impacto na substância.

Assim, com a ajuda de ondas ultrassônicas estudam:

• Processos moleculares em diversas estruturas.
• Determinação da concentração de substâncias em soluções.
• Determinação da composição, características de resistência dos materiais e assim por diante.

No processamento ultrassônico, o método de cavitação é frequentemente usado:

• Metalização.
• Limpeza ultrassônica.
• Desgaseificação de líquidos.
• Dispersão.
• Recebendo aerossóis.
• Esterilização ultrassônica.
• Destruição de microorganismos.
• Intensificação de processos eletroquímicos.

As seguintes operações tecnológicas são realizadas na indústria sob a influência de ondas ultrassônicas:

• Coagulação.
• Combustão em ambiente ultrassônico.
• Secagem.
• Soldagem.

Na medicina, as ondas ultrassônicas são utilizadas em terapia e diagnóstico. O diagnóstico envolve métodos de localização usando radiação pulsada. Isso inclui cardiografia ultrassonográfica, ecoencefalografia e vários outros métodos. Na terapia, as ondas ultrassônicas são utilizadas como métodos baseados em efeitos térmicos e mecânicos nos tecidos. Por exemplo, um bisturi ultrassônico é frequentemente usado durante as operações.

As vibrações ultrassônicas também realizam:

• Micromassagem de estruturas teciduais por meio de vibração.
• Estimulação da regeneração celular, bem como do intercâmbio intercelular.
• Aumento da permeabilidade das membranas dos tecidos.

O ultrassom pode atuar nos tecidos por inibição, estimulação ou destruição. Tudo isso depende da dose aplicada de vibrações ultrassônicas e de sua potência. No entanto, nem todas as áreas do corpo humano podem utilizar tais ondas. Assim, com alguma cautela, atuam no músculo cardíaco e em vários órgãos endócrinos. O cérebro, as vértebras cervicais, o escroto e vários outros órgãos não são afetados.

As vibrações ultrassônicas são utilizadas nos casos em que é impossível o uso de raios X em:

• A traumatologia utiliza um método de ecografia que detecta facilmente sangramento interno.
• Na obstetrícia, as ondas são utilizadas para avaliar o desenvolvimento fetal, bem como seus parâmetros.
• Cardiologia eles permitem examinar o sistema cardiovascular.

Ultrassom no futuro

Atualmente, o ultrassom é amplamente utilizado em diversas áreas, mas no futuro encontrará ainda mais aplicações. Já hoje estamos planejando criar dispositivos fantásticos para os dias de hoje.

• A tecnologia de holograma acústico ultrassônico está sendo desenvolvida para fins médicos. Esta tecnologia envolve o arranjo de micropartículas no espaço para criar a imagem necessária.
• Os cientistas estão trabalhando para criar tecnologia para dispositivos sem contato que substituirão os dispositivos sensíveis ao toque. Por exemplo, já foram criados dispositivos de jogos que reconhecem movimentos humanos sem contato direto. Estão sendo desenvolvidas tecnologias que envolvem a criação de botões invisíveis que podem ser sentidos e controlados pelas mãos. O desenvolvimento de tais tecnologias permitirá a criação de smartphones ou tablets sem contato. Além disso, esta tecnologia irá expandir as capacidades da realidade virtual.
• Com a ajuda de ondas ultrassônicas, já é possível fazer levitar pequenos objetos. No futuro, poderão surgir máquinas que flutuarão acima do solo devido às ondas e, na ausência de atrito, se moverão a uma velocidade tremenda.
• Os cientistas sugerem que, no futuro, o ultrassom ensinará as pessoas cegas a ver. Essa confiança se baseia no fato de que os morcegos reconhecem objetos por meio de ondas ultrassônicas refletidas. Já foi criado um capacete que converte ondas refletidas em som audível.
• Já hoje as pessoas esperam extrair minerais no espaço, porque está tudo lá. Então, os astrônomos encontraram um planeta diamantífero cheio de pedras preciosas. Mas como esses materiais sólidos podem ser extraídos no espaço? É o ultrassom que vai ajudar na perfuração de materiais densos. Tais processos são perfeitamente possíveis mesmo na ausência de atmosfera. Essas tecnologias de perfuração permitirão coletar amostras, realizar pesquisas e extrair minerais onde hoje isso é considerado impossível.

Ultrassom é o nome dado às ondas elásticas (ondas que se propagam em meios líquidos, sólidos e gasosos devido à ação de forças elásticas), cuja frequência está fora da faixa audível para humanos - aproximadamente 20 kHz e acima.

Recursos úteis de ondas ultrassônicas

E embora o ultrassom tenha fisicamente a mesma natureza do som audível, diferindo apenas condicionalmente (em uma frequência mais alta), é precisamente graças à sua frequência mais alta que o ultrassom é aplicável em diversas áreas úteis. Assim, ao medir a velocidade do ultrassom em uma substância sólida, líquida ou gasosa, obtêm-se erros muito insignificantes no monitoramento de processos rápidos, na determinação da capacidade térmica específica (gás), na medição das constantes elásticas dos sólidos.

A alta frequência em pequenas amplitudes permite obter maiores densidades de fluxo de energia, uma vez que a energia de uma onda elástica é proporcional ao quadrado de sua frequência. Além disso, as ondas ultrassônicas, utilizadas da maneira correta, permitem obter uma série de efeitos e fenômenos acústicos muito especiais.

Um desses fenômenos incomuns é a cavitação acústica, que ocorre quando uma poderosa onda ultrassônica é direcionada para um líquido. Em um líquido, no campo do ultrassom, pequenas bolhas de vapor ou gás (tamanho submicroscópico) começam a crescer até frações de milímetros de diâmetro, pulsando na frequência da onda e entrando em colapso na fase de pressão positiva.

A bolha em colapso gera um pulso de pressão localmente alto, medido em milhares de atmosferas, tornando-se uma fonte de ondas de choque esféricas. Microfluxos acústicos formados perto dessas bolhas pulsantes têm aplicações úteis na produção de emulsões, limpeza de peças, etc.

Ao focar o ultrassom, as imagens sonoras são obtidas na holografia acústica e nos sistemas de imagem sonora, e concentram a energia sonora para formar radiação direcionada com características direcionais especificadas e controladas.

Usando uma onda ultrassônica como rede de difração da luz, é possível, para determinados fins, alterar os índices de refração da luz, uma vez que a densidade em uma onda ultrassônica, como em princípio em uma onda elástica, muda periodicamente.

Por fim, características relacionadas à velocidade de propagação do ultrassom. Em meios inorgânicos, o ultrassom se propaga a uma velocidade que depende da elasticidade e da densidade do meio.

Já nos meios orgânicos, a velocidade é influenciada pelos limites e sua natureza, ou seja, a velocidade da fase depende da frequência (dispersão). O ultrassom atenua à medida que a frente da onda se afasta da fonte - a frente diverge, o ultrassom é espalhado e absorvido.

O atrito interno do meio (viscosidade de cisalhamento) leva à absorção clássica do ultrassom; além disso, a absorção de relaxamento do ultrassom excede a absorção clássica. O ultrassom é atenuado mais fortemente em gases e muito mais fraco em sólidos e líquidos. Na água, por exemplo, desaparece 1000 vezes mais lentamente do que no ar. Assim, as aplicações industriais do ultrassom estão quase inteiramente relacionadas a sólidos e líquidos.

Ultrassom em ecolocalização e sonar (indústrias alimentícias, de defesa e de mineração)

O primeiro protótipo de sonar foi criado para evitar colisões de navios com blocos de gelo e icebergs pelo engenheiro russo Shilovsky junto com o físico francês Langevin em 1912.

O dispositivo utilizou o princípio de reflexão e recepção de ondas sonoras. O sinal foi enviado até um determinado ponto, e pelo atraso do sinal de resposta (eco), conhecendo a velocidade do som, foi possível avaliar a distância até o obstáculo que refletia o som.

Shilovsky e Langevin começaram a explorar profundamente a hidroacústica e logo criaram um dispositivo capaz de detectar submarinos inimigos no Mar Mediterrâneo a uma distância de até 2 quilômetros. Todos os sonares modernos, inclusive os militares, são descendentes desse mesmo dispositivo.

Os ecobatímetros modernos para estudar a topografia inferior consistem em quatro blocos: transmissor, receptor, transdutor e tela. A função do transmissor é enviar pulsos ultrassônicos para o fundo da água (50 kHz, 192 kHz ou 200 kHz), que se propagam pela água a uma velocidade de 1,5 km/s, onde são refletidos por peixes, pedras, outros objetos e inferior, então o eco chega ao receptor e é processado conversor e o resultado é exibido no display de forma conveniente para a percepção visual.

Ultrassom na indústria eletrônica e de energia

Muitas áreas da física moderna não podem prescindir do ultrassom. A física do estado sólido e dos semicondutores, bem como a acustoeletrônica, estão intimamente associadas aos métodos de pesquisa ultrassônica - com impactos em frequências de 20 kHz e superiores. A acústica eletrônica ocupa um lugar especial aqui, onde as ondas ultrassônicas interagem com campos elétricos e elétrons dentro de corpos sólidos.

Ondas ultrassônicas volumétricas são usadas em linhas de atraso e em ressonadores de quartzo para estabilizar a frequência em sistemas eletrônicos modernos de processamento e transmissão de informações. As ondas acústicas superficiais ocupam um lugar especial nos filtros passa-banda para televisão, nos sintetizadores de frequência, nos dispositivos de transferência de carga por onda acústica, nos dispositivos de memória e leitura de imagens. Por fim, correlacionadores e convolvedores utilizam o efeito acustoelétrico transversal em seu trabalho.

Radioeletrônica e ultrassom

As linhas de atraso ultrassônicas são úteis para atrasar um sinal elétrico em relação a outro. O pulso elétrico é convertido em uma oscilação mecânica pulsada de frequência ultrassônica, que se propaga muitas vezes mais lentamente que o pulso eletromagnético; a vibração mecânica é então convertida novamente em impulso elétrico, produzindo um sinal que é atrasado em relação ao originalmente aplicado.

Para tal conversão, geralmente são utilizados transdutores piezoelétricos ou magnetostritivos, razão pela qual as linhas de atraso são chamadas de piezoelétricas ou magnetostritivas.

Em uma linha de atraso piezoelétrica, um sinal elétrico é fornecido a uma placa de quartzo (transdutor piezoelétrico) rigidamente conectada a uma haste de metal.

Um segundo transdutor piezoelétrico está conectado à outra extremidade da haste. O transdutor de entrada recebe o sinal, cria vibrações mecânicas que se propagam ao longo da haste, e quando as vibrações atingem o segundo transdutor através da haste, um sinal elétrico é novamente obtido.

A velocidade de propagação das vibrações ao longo da haste é muito menor que a de um sinal elétrico, portanto o sinal que passa pela haste é atrasado em relação ao fornecido por uma quantidade associada à diferença nas velocidades das vibrações eletromagnéticas e ultrassônicas.

A linha de atraso magnetostritiva conterá o transdutor de entrada, ímãs, duto de áudio, transdutor de saída e absorvedores. O sinal de entrada é alimentado para a primeira bobina, as oscilações de frequência ultrassônicas começam no duto sonoro da haste feita de material magnetostritivo - oscilações mecânicas - o ímã aqui cria uma polarização constante na zona de conversão e uma indução magnética inicial.

Ultrassom na indústria de transformação (corte e soldagem)

Um material abrasivo (areia de quartzo, diamante, pedra, etc.) é colocado entre a fonte de ultrassom e a peça. O ultrassom atua sobre partículas abrasivas, que por sua vez atingem a peça na frequência do ultrassom. O material da peça é destruído sob a influência de um grande número de pequenos impactos de grãos abrasivos - é assim que ocorre o processamento.

O corte é combinado com o movimento de avanço, sendo as vibrações longitudinais de corte as principais. A precisão do processamento ultrassônico depende do tamanho do grão do abrasivo e chega a 1 mícron. Desta forma, tornam-se necessários cortes complexos na fabricação de peças metálicas, retificação, gravação e furação.

Se for necessário soldar metais diferentes (ou mesmo polímeros) ou combinar uma peça grossa com uma placa fina, o ultrassom vem novamente em socorro. Este é o chamado. Sob a influência do ultrassom na área de soldagem, o metal torna-se muito dúctil, as peças podem ser facilmente giradas durante a conexão em qualquer ângulo. E assim que você desligar o ultrassom, as peças serão conectadas e fixadas instantaneamente.

É especialmente digno de nota que a soldagem ocorre em temperaturas abaixo do ponto de fusão das peças, e sua conexão ocorre praticamente no estado sólido. Mas o aço, o titânio e até o molibdênio são soldados dessa maneira. Chapas finas são as mais fáceis de soldar. Este método de soldagem não requer preparação especial da superfície das peças, isso se aplica tanto a metais quanto a polímeros.

Ultrassom em metalurgia (detecção ultrassônica de falhas)

A detecção ultrassônica de falhas é um dos métodos mais eficazes para controle de qualidade de peças metálicas sem destruição. Em meios homogêneos, o ultrassom se propaga direcionalmente sem atenuação rápida e é caracterizado pela reflexão nos limites do meio. Assim, as peças metálicas são verificadas quanto à presença de cavidades e trincas em seu interior (interface ar-metal), e é detectado aumento da fadiga do metal.

O ultrassom é capaz de penetrar uma peça até uma profundidade de 10 metros, e o tamanho dos defeitos detectados é da ordem de 5 mm. Existem: sombra, pulso, ressonância, análise estrutural, visualização, - cinco métodos de detecção ultrassônica de falhas.

O método mais simples é a detecção de falhas ultrassônicas por sombra; esse método é baseado no enfraquecimento de uma onda ultrassônica quando encontra um defeito ao passar por uma peça, uma vez que o defeito cria uma sombra ultrassônica. Dois conversores operam: o primeiro emite uma onda, o segundo a recebe.

Este método é insensível, um defeito só é detectado se sua influência alterar o sinal em pelo menos 15%, sendo também impossível determinar a profundidade onde o defeito está localizado na peça. O método ultrassônico pulsado fornece resultados mais precisos; também mostra a profundidade.

Se algum corpo oscilar em um meio elástico mais rápido do que o meio tem tempo de fluir ao seu redor, seu movimento comprime ou rarefaz o meio. Camadas de alta e baixa pressão se espalham do corpo oscilante em todas as direções e formam ondas sonoras. Se as vibrações do corpo que cria a onda se sucedem não menos que 16 vezes por segundo, não mais que 18 mil vezes por segundo, então o ouvido humano as ouve.

As frequências entre 16 e 18.000 Hz, que o aparelho auditivo humano pode perceber, são geralmente chamadas de frequências sonoras, por exemplo, o guincho de um mosquito »10 kHz. Mas o ar, as profundezas dos mares e as entranhas da terra estão repletos de sons que ficam abaixo e acima dessa faixa - infra e ultrassom. Na natureza, o ultrassom é encontrado como componente de muitos ruídos naturais: no ruído do vento, das cachoeiras, da chuva, dos seixos do mar rolados pelas ondas e nas trovoadas. Muitos mamíferos, como cães e gatos, têm a capacidade de perceber ultrassom com frequência de até 100 kHz, e as habilidades de localização de morcegos, insetos noturnos e animais marinhos são bem conhecidas de todos. A existência de sons inaudíveis foi descoberta com o desenvolvimento da acústica no final do século XIX. Paralelamente, iniciaram-se os primeiros estudos sobre o ultrassom, mas as bases para sua utilização foram lançadas apenas no primeiro terço do século XX.

O limite inferior da faixa ultrassônica é chamado de vibrações elásticas com frequência de 18 kHz. O limite superior do ultrassom é determinado pela natureza das ondas elásticas, que só podem se propagar se o comprimento de onda for significativamente maior que o caminho livre das moléculas (em gases) ou as distâncias interatômicas (em líquidos e gases). Em gases o limite superior é »106 kHz, em líquidos e sólidos »1010 kHz. Via de regra, frequências de até 106 kHz são chamadas de ultrassom. Frequências mais altas são comumente chamadas de hipersom.

As ondas ultrassônicas, por sua natureza, não diferem das ondas na faixa audível e obedecem às mesmas leis físicas. Mas o ultrassom possui características específicas que determinaram seu amplo uso na ciência e na tecnologia. Aqui estão os principais:

• Comprimento de onda curto. Para a faixa ultrassônica mais baixa, o comprimento de onda não excede vários centímetros na maioria dos meios. O comprimento de onda curto determina a natureza do raio da propagação das ondas ultrassônicas. Perto do emissor, o ultrassom se propaga na forma de feixes de tamanho semelhante ao tamanho do emissor. Ao atingir heterogeneidades do meio, o feixe ultrassônico se comporta como um feixe de luz, experimentando reflexão, refração e espalhamento, o que possibilita a formação de imagens sonoras em meios opticamente opacos por meio de efeitos puramente ópticos (focagem, difração, etc.)
• Um curto período de oscilação, que permite emitir ultrassom em forma de pulsos e realizar uma seleção precisa do tempo dos sinais de propagação no meio.
• Possibilidade de obter altos valores de energia vibratória em baixa amplitude, pois a energia de vibração é proporcional ao quadrado da frequência. Isso permite criar feixes e campos ultrassônicos com alto nível de energia, sem a necessidade de equipamentos de grande porte.
• Correntes acústicas significativas se desenvolvem no campo ultrassônico. Portanto, o impacto do ultrassom no meio ambiente dá origem a efeitos específicos: físicos, químicos, biológicos e médicos. Como cavitação, efeito capilar sônico, dispersão, emulsificação, desgaseificação, desinfecção, aquecimento local e muitos outros.
• O ultrassom é inaudível e não causa desconforto ao pessoal operacional.

História do ultrassom. Quem descobriu o ultrassom?

A atenção à acústica foi causada pelas necessidades das marinhas das principais potências - Inglaterra e França, porque acústico é o único tipo de sinal que pode viajar muito na água. Em 1826 Cientista francês Colladon determinou a velocidade do som na água. O experimento de Colladon é considerado o nascimento da hidroacústica moderna. O sino subaquático no Lago Genebra foi tocado com a ignição simultânea de pólvora. O clarão da pólvora foi observado por Colladon a uma distância de 16 quilômetros. Ele também ouviu o som do sino usando uma tuba auditiva subaquática. Medindo o intervalo de tempo entre esses dois eventos, Colladon calculou que a velocidade do som era de 1.435 m/s. A diferença com os cálculos modernos é de apenas 3 m/s.

Em 1838, nos EUA, o som foi utilizado pela primeira vez para determinar o perfil do fundo do mar com a finalidade de instalar um cabo telegráfico. A fonte do som, como no experimento de Colladon, era um sino soando debaixo d'água, e o receptor eram grandes tubos auditivos baixados na lateral do navio. Os resultados do experimento foram decepcionantes. O som da campainha (como, aliás, a explosão dos cartuchos de pólvora na água) emitia um eco muito fraco, quase inaudível entre os demais sons do mar. Foi necessário ir até a região de frequências mais altas, permitindo a criação de feixes sonoros direcionados.

Primeiro gerador de ultrassom feito em 1883 por um inglês Francisco Galton. O ultrassom foi criado como um apito na ponta de uma faca quando você a sopra. O papel dessa ponta no apito de Galton foi desempenhado por um cilindro com pontas afiadas. O ar ou outro gás que saía sob pressão através de um bico anular com diâmetro igual à borda do cilindro corria para a borda e ocorriam oscilações de alta frequência. Ao apitar com hidrogênio, foi possível obter oscilações de até 170 kHz.

Em 1880 Pierre e Jacques Curie fez uma descoberta que foi decisiva para a tecnologia de ultrassom. Os irmãos Curie notaram que quando a pressão era aplicada aos cristais de quartzo, era gerada uma carga elétrica diretamente proporcional à força aplicada ao cristal. Este fenômeno foi chamado de "piezoeletricidade" da palavra grega que significa "pressionar". Eles também demonstraram o efeito piezoelétrico inverso, que ocorria quando um potencial elétrico em rápida mudança era aplicado ao cristal, fazendo-o vibrar. A partir de agora é tecnicamente possível fabricar emissores e receptores de ultrassom de pequeno porte.

A morte do Titanic na colisão com um iceberg e a necessidade de combater novas armas - os submarinos - exigiram o rápido desenvolvimento da hidroacústica ultrassônica. Em 1914, o físico francês Paulo Langevin junto com o talentoso cientista emigrante russo Konstantin Vasilyevich Shilovsky, pela primeira vez, eles desenvolveram um sonar composto por um emissor de ultrassom e um hidrofone - um receptor de vibrações ultrassônicas, baseado no efeito piezoelétrico. Sonar Langevin - Shilovsky, foi o primeiro dispositivo ultrassônico, usado na prática. Ao mesmo tempo, o cientista russo S.Ya. Sokolov desenvolveu os fundamentos da detecção ultrassônica de falhas na indústria. Em 1937, o psiquiatra alemão Karl Dussick, juntamente com seu irmão Friedrich, um físico, usaram pela primeira vez o ultrassom para detectar tumores cerebrais, mas os resultados obtidos não foram confiáveis. Na prática médica, o ultrassom começou a ser utilizado apenas na década de 50 do século XX nos EUA.

Recebendo ultrassom.

Os emissores de ultrassom podem ser divididos em dois grandes grupos:

1) As oscilações são excitadas por obstáculos no caminho de uma corrente de gás ou líquido, ou pela interrupção de uma corrente de gás ou líquido. Eles são usados ​​de forma limitada, principalmente para obter ultrassons potentes em um ambiente gasoso.

2) As oscilações são excitadas pela transformação em oscilações mecânicas de corrente ou tensão. A maioria dos dispositivos ultrassônicos utiliza emissores deste grupo: transdutores piezoelétricos e magnetostritivos.

Além dos transdutores baseados no efeito piezoelétrico, são utilizados transdutores magnetostritivos para produzir um poderoso feixe ultrassônico. A magnetostrição é uma mudança no tamanho dos corpos quando seu estado magnético muda. Um núcleo de material magnetostritivo colocado em um enrolamento condutor muda seu comprimento de acordo com a forma do sinal de corrente que passa pelo enrolamento. Este fenômeno, descoberto em 1842 por James Joule, é característico de ferromagnetos e ferritas. Os materiais magnetostritivos mais comumente utilizados são ligas à base de níquel, cobalto, ferro e alumínio. A maior intensidade de radiação ultrassônica pode ser alcançada pela liga permendur (49% Co, 2% V, o restante Fe), que é usada em potentes emissores ultrassônicos. Em particular, aqueles produzidos pela nossa empresa.

Aplicação de ultrassom.

As diversas aplicações do ultrassom podem ser divididas em três áreas:

• obter informações sobre uma substância
• efeito sobre a substância
• processamento e transmissão de sinal

A dependência da velocidade de propagação e atenuação das ondas acústicas das propriedades da matéria e dos processos nelas ocorridos é utilizada nos seguintes estudos:

• estudo de processos moleculares em gases, líquidos e polímeros
• estudo da estrutura de cristais e outros sólidos
• controle de reações químicas, transições de fase, polimerização, etc.
• determinação da concentração da solução
• determinação das características de resistência e composição dos materiais
• determinação da presença de impurezas
• determinação da taxa de fluxo de líquido e gás

As informações sobre a estrutura molecular de uma substância são fornecidas medindo a velocidade e o coeficiente de absorção do som nela contido. Isso permite medir a concentração de soluções e suspensões em polpas e líquidos, monitorar o progresso da extração, polimerização, envelhecimento e a cinética das reações químicas. A precisão da determinação da composição das substâncias e da presença de impurezas por ultrassom é muito alta e chega a uma fração de um por cento.

Medir a velocidade do som em sólidos permite determinar as características elásticas e de resistência dos materiais estruturais. Este método indireto de determinação de resistência é conveniente devido à sua simplicidade e possibilidade de uso em condições reais.

Os analisadores de gases ultrassônicos monitoram o acúmulo de impurezas perigosas. A dependência da velocidade ultrassônica com a temperatura é usada para termometria sem contato de gases e líquidos.

Os medidores de vazão ultrassônicos que operam no efeito Doppler baseiam-se na medição da velocidade do som em líquidos e gases em movimento, inclusive os não homogêneos (emulsões, suspensões, polpas). Equipamento semelhante é usado para determinar a velocidade e a vazão do sangue em estudos clínicos.

Um grande grupo de métodos de medição baseia-se na reflexão e dispersão de ondas ultrassônicas nas fronteiras entre os meios. Esses métodos permitem determinar com precisão a localização de corpos estranhos no ambiente e são usados ​​em áreas como:

• sonar
• testes não destrutivos e detecção de falhas
• diagnóstico médico
• determinação dos níveis de líquidos e sólidos em recipientes fechados
• determinar tamanhos de produtos
• visualização de campos sonoros - visão sonora e holografia acústica

A reflexão, a refração e a capacidade de focar o ultrassom são usadas na detecção ultrassônica de falhas, em microscópios acústicos ultrassônicos, em diagnósticos médicos e no estudo de macro-hemogeneidades de uma substância. A presença de heterogeneidades e suas coordenadas são determinadas pelos sinais refletidos ou pela estrutura da sombra.

Métodos de medição baseados na dependência dos parâmetros de um sistema oscilante ressonante nas propriedades do meio que o carrega (impedância) são usados ​​para medição contínua da viscosidade e densidade de líquidos e para medir a espessura de peças que só podem ser acessadas de um lado. O mesmo princípio está subjacente aos testadores de dureza ultrassônicos, medidores de nível e chaves de nível. Vantagens dos métodos de teste ultrassônicos: curto tempo de medição, capacidade de controlar ambientes explosivos, agressivos e tóxicos, nenhum impacto do instrumento no ambiente e processos controlados.

O efeito do ultrassom em uma substância.

O efeito do ultrassom sobre uma substância, levando a alterações irreversíveis nela, é amplamente utilizado na indústria. Ao mesmo tempo, os mecanismos de ação do ultrassom são diferentes para diferentes ambientes. Nos gases, o principal fator operacional são as correntes acústicas, que aceleram os processos de transferência de calor e massa. Além disso, a eficiência da mistura ultrassônica é significativamente maior do que a mistura hidrodinâmica convencional, porque a camada limite tem uma espessura menor e, como resultado, um maior gradiente de temperatura ou concentração. Este efeito é usado em processos como:

• secagem ultrassônica
• combustão em um campo ultrassônico
• coagulação por aerossol

No processamento ultrassônico de líquidos, o principal fator operacional é cavitação . Os seguintes processos tecnológicos baseiam-se no efeito de cavitação:

• limpeza ultrassônica
• metalização e soldagem
• efeito capilar sonoro - penetração de líquidos nos menores poros e fissuras. É utilizado para impregnação de materiais porosos e ocorre durante qualquer processamento ultrassônico de sólidos em líquidos.
• cristalização
• intensificação de processos eletroquímicos
• obtenção de aerossóis
• destruição de microorganismos e esterilização ultrassônica de instrumentos

Correntes acústicas- um dos principais mecanismos de influência do ultrassom na matéria. É causada pela absorção de energia ultrassônica na substância e na camada limite. Os fluxos acústicos diferem dos fluxos hidrodinâmicos pela pequena espessura da camada limite e pela possibilidade de seu afinamento com o aumento da frequência de oscilação. Isto leva a uma diminuição na espessura da camada limite de temperatura ou concentração e a um aumento nos gradientes de temperatura ou concentração que determinam a taxa de transferência de calor ou massa. Isto ajuda a acelerar os processos de combustão, secagem, mistura, destilação, difusão, extração, impregnação, sorção, cristalização, dissolução, desgaseificação de líquidos e fundidos. Num fluxo de alta energia, a influência da onda acústica é realizada devido à energia do próprio fluxo, alterando sua turbulência. Neste caso, a energia acústica pode ser apenas uma fração de uma percentagem da energia do fluxo.

Quando uma onda sonora de alta intensidade passa através de um líquido, ocorre o chamado cavitação acústica . Em uma onda sonora intensa, durante os meios períodos de rarefação, aparecem bolhas de cavitação, que colapsam bruscamente ao passar para uma área de alta pressão. Na região de cavitação, surgem perturbações hidrodinâmicas poderosas na forma de ondas de microchoque e microfluxos. Além disso, o colapso das bolhas é acompanhado por forte aquecimento local da substância e liberação de gás. Essa exposição leva à destruição até mesmo de substâncias duráveis, como aço e quartzo. Este efeito é usado para dispersar sólidos, produzir emulsões finas de líquidos imiscíveis, excitar e acelerar reações químicas, destruir microorganismos e extrair enzimas de células animais e vegetais. A cavitação também determina efeitos como um brilho fraco de um líquido sob a influência do ultrassom - sonoluminescência e penetração anormalmente profunda de líquido nos capilares - efeito sonocapilar .

A dispersão por cavitação de cristais de carbonato de cálcio (escala) é a base dos dispositivos acústicos anti-escala. Sob a influência do ultrassom, as partículas na água se dividem, seus tamanhos médios diminuem de 10 para 1 mícron, seu número e a área superficial total das partículas aumentam. Isto leva à transferência do processo de formação de incrustações da superfície de troca de calor diretamente para o líquido. O ultrassom também afeta a camada de incrustação formada, formando nela microfissuras que contribuem para a quebra de pedaços de incrustação da superfície de troca de calor.

Nas instalações de limpeza ultrassônica, com a ajuda da cavitação e dos microfluxos que ela gera, são removidos contaminantes tanto aderidos à superfície, como incrustações, incrustações, rebarbas, quanto contaminantes leves, como películas gordurosas, sujeira, etc. O mesmo efeito é usado para intensificar processos eletrolíticos.

Sob a influência do ultrassom, ocorre um efeito tão curioso como a coagulação acústica, ou seja, convergência e ampliação de partículas suspensas em líquido e gás. O mecanismo físico deste fenômeno ainda não está completamente claro. A coagulação acústica é utilizada para a deposição de poeiras, fumos e névoas industriais em frequências baixas para ultrassom, até 20 kHz. É possível que os efeitos benéficos do toque dos sinos das igrejas sejam baseados neste efeito.

O processamento mecânico de sólidos por ultrassom é baseado nos seguintes efeitos:

• redução do atrito entre superfícies durante vibrações ultrassônicas de uma delas
• diminuição do limite de escoamento ou deformação plástica sob a influência do ultrassom
• fortalecimento e redução de tensões residuais em metais sob o impacto de uma ferramenta com frequência ultrassônica
• Os efeitos combinados de compressão estática e vibrações ultrassônicas são usados ​​na soldagem ultrassônica

Existem quatro tipos de usinagem usando ultrassom:

• processamento dimensional de peças feitas de materiais duros e quebradiços
• corte de materiais difíceis de cortar com aplicação ultrassônica na ferramenta de corte
• rebarbação em banho ultrassônico
• retificação de materiais viscosos com limpeza ultrassônica do rebolo

Efeitos do ultrassom em objetos biológicos causa uma variedade de efeitos e reações nos tecidos do corpo, que é amplamente utilizado em terapia e cirurgia de ultrassom. O ultrassom é um catalisador que acelera o estabelecimento de um equilíbrio, do ponto de vista fisiológico, do estado do corpo, ou seja, estado saudável. O ultrassom tem um efeito muito maior nos tecidos doentes do que nos saudáveis. A pulverização ultrassônica de medicamentos para inalação também é usada. A cirurgia ultrassonográfica baseia-se nos seguintes efeitos: destruição tecidual pelo próprio ultrassom focalizado e aplicação de vibrações ultrassônicas a um instrumento cirúrgico cortante.

Dispositivos ultrassônicos são usados ​​para conversão e processamento analógico de sinais eletrônicos e para controle de sinais de luz em óptica e optoeletrônica. O ultrassom de baixa velocidade é usado em linhas de atraso. O controle dos sinais ópticos é baseado na difração da luz por ultrassom. Um dos tipos dessa difração, a chamada difração de Bragg, depende do comprimento de onda do ultrassom, o que permite isolar um estreito intervalo de frequência de um amplo espectro de radiação luminosa, ou seja, filtrar luz.

O ultrassom é algo extremamente interessante e pode-se supor que muitas de suas aplicações práticas ainda são desconhecidas pela humanidade. Amamos e conhecemos o ultrassom e ficaremos felizes em discutir quaisquer ideias relacionadas à sua aplicação.

Onde o ultrassom é usado - tabela de resumo

Nossa empresa, Koltso-Energo LLC, atua na produção e instalação de dispositivos acústicos anti-escala "Acoustic-T". Os dispositivos produzidos pela nossa empresa distinguem-se por um nível de sinal ultrassónico excepcionalmente elevado, o que lhes permite funcionar em caldeiras sem tratamento de água e caldeiras a vapor com água artesiana. Mas prevenir a incrustação é uma parte muito pequena do que o ultrassom pode fazer. Esta incrível ferramenta natural tem enormes possibilidades e queremos falar sobre elas. Os funcionários da nossa empresa trabalharam durante muitos anos nas principais empresas russas envolvidas no setor de acústica. Sabemos muito sobre ultrassom. E se de repente surgir a necessidade de usar ultrassom em sua tecnologia,