13. Acustica(din grecescul ἀκούω (akuo) - auzi) - știința sunetului, care studiază natura fizică a sunetului și problemele asociate cu apariția, distribuția, percepția și impactul acestuia. Acustica este una dintre domeniile fizicii (mecanica) care studiază vibrațiile elastice și undele de la cele mai joase (în mod convențional de la 0 Hz) până la frecvențele înalte.

Acustica este o știință interdisciplinară care folosește o gamă largă de discipline pentru a-și rezolva problemele: matematică, fizică, psihologie, arhitectură, electronică, biologie, medicină, igienă, teoria muzicii și altele.

Uneori (în viața de zi cu zi) sub acusticăînțelegeți, de asemenea, un sistem acustic - un dispozitiv electric conceput pentru a converti un curent de frecvență variabilă în vibrații sonore folosind conversia electro-acustică. Termenul de acustică este, de asemenea, aplicabil pentru a desemna proprietăți vibraționale asociate cu calitatea propagării sunetului în orice sistem sau orice cameră, de exemplu, „acustica bună a unei săli de concerte”.

Termenul „acustica” (franceză) acustică) a fost introdusă în 1701 de J. Sauveur.

Tonîn lingvistică, utilizarea pitch-ului pentru a distinge sensul în cuvinte/morfeme. Tonul ar trebui să fie distins de intonație, adică modificări ale înălțimii pe un segment de vorbire relativ mare (enunț sau propoziție). Diverse unități de ton care au o funcție semantic-distinctivă pot fi numite toneme (prin analogie cu un fonem).

Tonul, precum intonația, fonația și accentul, se referă la trăsături suprasegmentare sau prozodice. Purtătorii de ton sunt cel mai adesea vocale, dar există limbi în care consoanele, cel mai adesea sonante, pot juca și ele acest rol.

Un limbaj tonal, sau tonal, este o limbă în care fiecare silabă este pronunțată cu un anumit ton. O varietate de limbi de ton sunt, de asemenea, limbi cu accent muzical, în care una sau mai multe silabe dintr-un cuvânt sunt accentuate și diferite tipuri de accentuare sunt puse în contrast cu caracteristicile tonului.

Contrastele de ton pot fi combinate cu cele de fonație (cum ar fi multe limbi din Asia de Sud-Est).

Zgomot- oscilații aleatorii de diferite naturi fizice, caracterizate prin complexitatea structurii lor temporale și spectrale. Inițial cuvântul zgomot s-a referit exclusiv la vibrațiile sonore, dar în știința modernă a fost extins la alte tipuri de vibrații (radio, electricitate).

Zgomot- un set de sunete aperiodice de intensitate și frecvență variabile. Din punct de vedere fiziologic, zgomotul este orice sunet perceput nefavorabil.

Bum sonor, acustic- acesta este sunetul asociat undelor de șoc create de zborul supersonic al unei aeronave. Un boom sonic creează o cantitate uriașă de energie sonoră, similară unei explozii. Sunetul unui bici este un exemplu clar de boom acustic. Acesta este momentul în care avionul sparge bariera sonoră, apoi, străpungându-și propria undă sonoră, creează un sunet puternic, instantaneu, care se răspândește în lateral. Dar în avion în sine, nu se aude, deoarece sunetul „rămâne în urmă”. Sunetul seamănă cu împușcătura unui tun super-puternic, scuturând întregul cer și, prin urmare, aeronavelor supersonice se recomandă să treacă la distanța supersonică de la orașe pentru a nu deranja sau speria cetățenii.

Parametrii fizici ai sunetului

Viteza oscilatoare măsurată în m/s sau cm/s. În ceea ce privește energia, sistemele oscilatorii reale se caracterizează printr-o modificare a energiei din cauza cheltuielilor parțiale cu munca împotriva forțelor de frecare și a radiațiilor în spațiul înconjurător. Într-un mediu elastic, vibrațiile se sting treptat. Pentru caracteristici oscilații amortizate Se utilizează coeficientul de amortizare (S), decrementul logaritmic (D) și factorul de calitate (Q).

Coeficient de atenuare reflectă viteza cu care amplitudinea scade în timp. Dacă notăm timpul în care amplitudinea scade cu e = 2,718 ori, atunci:

Scăderea amplitudinii pe ciclu se caracterizează printr-o scădere logaritmică. Scăderea logaritmică este egală cu raportul dintre perioada de oscilație și timpul de amortizare:

Dacă un sistem oscilator cu pierderi este acționat de o forță periodică, atunci oscilații forțate , a cărui natură într-o măsură sau alta repetă modificările forțelor externe. Frecvența oscilațiilor forțate nu depinde de parametrii sistemului oscilator. Dimpotrivă, amplitudinea depinde de masa, rezistența mecanică și flexibilitatea sistemului. Acest fenomen, când amplitudinea vitezei oscilatorii atinge valoarea maximă, se numește rezonanță mecanică. În acest caz, frecvența oscilațiilor forțate coincide cu frecvența oscilațiilor naturale neamortizate ale sistemului mecanic.

La frecvențe de impact semnificativ mai mici decât cea de rezonanță, forța armonică externă este echilibrată aproape exclusiv de forța elastică. La frecvențele de excitație apropiate de rezonanță, forțele de frecare joacă rolul principal. Cu condiția ca frecvența influenței externe să fie semnificativ mai mare decât cea rezonantă, comportamentul sistemului oscilator depinde de forța de inerție sau de masă.

Capacitatea unui mediu de a conduce energia acustică, inclusiv energia ultrasonică, este caracterizată de rezistența acustică. Impedanta acustica mediu este exprimat prin raportul dintre densitatea sunetului și viteza volumetrică a undelor ultrasonice. Rezistența acustică specifică a unui mediu este determinată de raportul dintre amplitudinea presiunii sonore din mediu și amplitudinea vitezei de vibrație a particulelor sale. Cu cât rezistența acustică este mai mare, cu atât este mai mare gradul de compresie și rarefacție al mediului pentru o amplitudine dată de vibrație a particulelor mediului. Numeric, rezistența acustică specifică a mediului (Z) se găsește ca produsul dintre densitatea mediului () și viteza (c) de propagare a undelor ultrasonice în acesta.

Impedanța acustică specifică este măsurată în pascal-al doilea pe metru(Pa s/m) sau dyne s/cm³ (GHS); 1 Pa s/m = 10 −1 din s/cm³.

Valoarea rezistenței acustice specifice a unui mediu este adesea exprimată în g/s cm², cu 1 g/s cm² = 1 dină s/cm³. Impedanța acustică a unui mediu este determinată de absorbția, refracția și reflexia undelor ultrasonice.

Sunet sau presiunea acusticaîntr-un mediu este diferența dintre valoarea instantanee a presiunii într-un punct dat al mediului în prezența vibrațiilor sonore și presiunea statică în același punct în absența acestora. Cu alte cuvinte, presiunea sonoră este o presiune variabilă într-un mediu cauzată de vibrațiile acustice. Valoarea maximă a presiunii acustice variabile (amplitudinea presiunii) poate fi calculată prin amplitudinea vibrației particulelor:

unde P este presiunea acustică maximă (amplitudinea presiunii);

La o distanță de jumătate din lungimea de undă (λ/2), valoarea amplitudinii presiunii se schimbă de la pozitiv la negativ, adică diferența de presiune în două puncte distanțate unul de celălalt de λ/2 de-a lungul căii de propagare a undei este egală cu 2P.

Pentru a exprima presiunea acustică în unități SI, se folosește Pascal (Pa), egal cu o presiune de un newton pe metru pătrat (N/m²). Presiunea acustică în sistemul SGS este măsurată în dyn/cm²; 1 dină/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Alături de unitățile indicate, se folosesc adesea unități de presiune non-sistem - atmosferă (atm) și atmosferă tehnică (at), cu 1 atm = 0,98·10 6 dine/cm² = 0,98·10 5 N/m². Uneori se folosește o unitate numită bară sau microbar (bară acustică); 1 bar = 106 dine/cm².

Presiunea exercitată asupra particulelor mediului în timpul propagării undelor este rezultatul acțiunii forțelor elastice și inerțiale. Acestea din urmă sunt cauzate de accelerații, a căror magnitudine crește și în perioada de la zero la maxim (valoarea amplitudinii accelerației). În plus, în timpul perioadei accelerația își schimbă semnul.

Valorile maxime ale accelerației și presiunii care apar într-un mediu atunci când undele ultrasonice trec prin acesta nu coincid în timp pentru o anumită particulă. În momentul în care diferența de accelerație atinge maximul, diferența de presiune devine zero. Valoarea amplitudinii accelerației (a) este determinată de expresia:

Dacă undele ultrasonice care călătoresc întâlnesc un obstacol, acesta se confruntă nu numai cu presiune variabilă, ci și presiune constantă. Zonele de condensare și rarefacție ale mediului care apar în timpul trecerii undelor ultrasonice creează modificări suplimentare de presiune în mediu în raport cu presiunea externă din jurul acestuia. Această presiune externă suplimentară se numește presiune de radiație (presiune de radiație). Acesta este motivul pentru care, atunci când undele ultrasonice trec prin limita unui lichid cu aer, se formează fântâni de lichid și picăturile individuale sunt separate de suprafață. Acest mecanism și-a găsit aplicație în formarea de aerosoli de substanțe medicinale. Presiunea de radiație este adesea folosită pentru a măsura puterea vibrațiilor ultrasonice în contoare speciale - balanțe ultrasonice.

Intensitatesunet (absolut) - o valoare egală cu raportul fluxul de energie sonoră dP printr-o suprafață perpendiculară pe direcția de propagare sunet, la pătrat dS aceasta suprafata:

Unitate - watt pe pătrat metru(W/m2).

Pentru o undă plană, intensitatea sunetului poate fi exprimată în termeni de amplitudine presiunea sonoră p 0 Și viteza oscilatoare v:

,

Unde Z S - mediu inconjurator.

Volumul sunetului este o caracteristică subiectivă care depinde de amplitudine și, prin urmare, de energia undei sonore. Cu cât energia este mai mare, cu atât presiunea undei sonore este mai mare.

Nivelul de intensitate este o caracteristică obiectivă a sunetului.

Intensitatea este raportul dintre puterea sonoră incidentă pe o suprafață și aria acelei suprafețe. Se măsoară în W/m2 (wați pe metru pătrat).

Nivelul de intensitate determină de câte ori intensitatea sunetului este mai mare decât intensitatea minimă percepută de urechea umană.

Deoarece sensibilitatea minimă percepută de o persoană, 10 -12 W/m2, diferă de sensibilitatea maximă, care provoacă durere - 1013 W/m2, cu multe ordine de mărime, logaritmul raportului dintre intensitatea sunetului și intensitatea minimă este folosit.

Aici k este nivelul de intensitate, I este intensitatea sunetului, I 0 este intensitatea minimă a sunetului perceput de o persoană sau intensitatea pragului.

Semnificația logaritmului în această formulă este dacă intensitatea I se modifică cu un ordin de mărime, atunci nivelul de intensitate se modifică prin unitate.

Unitatea de măsură a nivelului de intensitate este 1 B (Bell). 1 Bell - un nivel de intensitate care este de 10 ori mai mare decât pragul.

În practică, nivelul de intensitate este măsurat în dB (decibeli). Apoi formula pentru calcularea nivelului de intensitate este rescrisă după cum urmează:

Presiunea sonoră- redundant variabil presiune, care apar într-un mediu elastic la trecerea prin acesta unda de sunet. Unitate - pascal(Pa).

Valoarea instantanee a presiunii sonore într-un punct al mediului se modifică atât în ​​timp, cât și la deplasarea în alte puncte ale mediului, prin urmare valoarea rădăcină pătratică medie a acestei mărimi, asociată cu intensitatea sunetului:

Unde - intensitatea sunetului, - presiunea sonoră, - impedanta acustica specifica mediu, - medie în timp.

Când se iau în considerare oscilațiile periodice, se folosește uneori amplitudinea presiunii sonore; deci, pentru o undă sinusoidală

unde este amplitudinea presiunii sonore.

Nivelul de presiune al sunetului (Engleză SPL, nivelul presiunii sonore) - masurat de scară relativă valoarea presiunii acustice raportată la presiunea de referință = 20 μPa corespunzătoare pragului audibilitate sinusoidal unda de sunet frecvență 1 kHz:

dB.

Volumul sunetului- subiectiv percepţie putere sunet(valoarea absolută a senzației auditive). Volumul depinde în principal de presiunea sonoră, amplitudiniȘi frecvente vibratii sonore. De asemenea, volumul unui sunet este influențat de compoziția sa spectrală, localizarea în spațiu, timbrul, durata expunerii la vibrațiile sonore și alți factori (vezi. , ).

Unitatea de măsură a scalei absolute de zgomot este fundal . Volumul 1 phon este volumul unui ton sinusoid pur continuu cu frecvența 1 kHz, crearea presiunea sonoră 2 mPa.

Nivelul volumului sunetului- valoare relativă. Se exprimă în fundaluri și este numeric egal cu nivelul presiunea sonoră(V decibeli- dB) produs de o undă sinusoidală cu frecvența 1 kHz același volum cu sunetul măsurat (intensitate egală cu sunetul dat).

Dependența nivelului volumului de presiunea sonoră și de frecvență

Figura din dreapta arată o familie de curbe de volum egal, numite și izofone. Sunt grafice standardizate (standard internațional ISO 226) dependențe ale nivelului presiunii sonore de frecvență la un nivel de volum dat. Folosind această diagramă, puteți determina nivelul de volum al unui ton pur de orice frecvență, cunoscând nivelul de presiune sonoră pe care îl creează.

Echipament de supraveghere a sunetului

De exemplu, dacă o undă sinusoidală cu o frecvență de 100 Hz creează un nivel de presiune sonoră de 60 dB, atunci prin trasarea liniilor drepte corespunzătoare acestor valori pe diagramă, găsim la intersecția lor un izofon corespunzător unui nivel de volum de 50 von. Aceasta înseamnă că acest sunet are un nivel de volum de 50 de fundal.

Isofonul „0 fundal”, indicat printr-o linie punctată, caracterizează pragul de auz sunete de diferite frecvențe pentru normal auz.

În practică, ceea ce interesează adesea nu este nivelul volumului exprimat în fundal, ci valoarea care indică cât de mult este mai puternic un anumit sunet decât altul. O altă întrebare interesantă este cum se adună volumele a două tonuri diferite. Deci, dacă există două tonuri de frecvențe diferite cu un nivel de 70 de fundal fiecare, acest lucru nu înseamnă că nivelul volumului total va fi egal cu 140 de fundal.

Dependența volumului de nivelul presiunii sonore (și intensitatea sunetului) este pur neliniară

curba, are un caracter logaritmic. Când nivelul presiunii acustice crește cu 10 dB, volumul sunetului va crește de 2 ori. Aceasta înseamnă că nivelurile de volum de 40, 50 și 60 von corespund volumelor de 1, 2 și 4 soni.

baza fizică a metodelor solide de cercetare în clinică

Sunetul, ca și lumina, este o sursă de informații, iar aceasta este semnificația sa principală. Sunetele naturii, vorbirea oamenilor din jurul nostru, zgomotul mașinilor care funcționează ne spun multe. Pentru a vă imagina semnificația sunetului pentru o persoană, este suficient să vă lipsiți temporar de capacitatea de a percepe sunetul - închideți urechile. Desigur, sunetul poate fi și o sursă de informații despre starea organelor interne ale unei persoane.

O metodă solidă comună pentru diagnosticarea bolilor este auscultarea (ascultarea). Pentru auscultare se folosește un stetoscop sau un fonendoscop. Un fonendoscop constă dintr-o capsulă goală cu o membrană de transmisie a sunetului care este aplicată pe corpul pacientului, din care tuburi de cauciuc merg la urechea medicului. În capsula goală are loc o rezonanță a coloanei de aer, în urma căreia sunetul se intensifică și au-cultația se îmbunătățește. La auscultarea plămânilor se aud sunete respiratorii și diverse șuierătoare caracteristice bolilor. Prin modificări ale zgomotelor inimii și apariția suflulor, se poate judeca starea activității cardiace. Folosind auscultarea, puteți determina prezența peristaltismului stomacului și intestinelor și puteți asculta bătăile inimii fetale.

Pentru a asculta simultan un pacient de către mai mulți cercetători în scop educațional sau în timpul unei consultații, se folosește un sistem care include un microfon, un amplificator și un difuzor sau mai multe telefoane.

Pentru a diagnostica starea activității cardiace, se folosește o metodă similară cu auscultația și numită fonocardiografie (PCG). Această metodă constă în înregistrarea grafică a zgomotelor și murmurelor inimii și interpretarea lor diagnostică. O fonocardiogramă este înregistrată folosind un fonocardiograf, constând dintr-un microfon, un amplificator, un sistem de filtre de frecvență și un dispozitiv de înregistrare.

Percuția este fundamental diferită de cele două metode de sunet prezentate mai sus. Cu această metodă, sunetul părților individuale ale corpului este ascultat atunci când sunt lovite. Schematic, corpul uman poate fi reprezentat ca un set de volume pline cu gaz (plămâni), lichide (organe interne) și solide (oase). La lovirea suprafeței unui corp apar vibrații, ale căror frecvențe au o gamă largă. Din acest interval, unele vibrații se vor estompa destul de repede, în timp ce altele, care coincid cu vibrațiile naturale ale golurilor, se vor intensifica și, datorită rezonanței, vor fi audibile. Un medic cu experiență determină starea și localizarea (tonografia) organelor interne prin tonul sunetelor de percuție.

15. Infrasunete(din lat. infra- dedesubt, sub) - unde sonore având o frecvență mai mică decât cea percepută de urechea umană. Deoarece urechea umană este de obicei capabilă să audă sunete în intervalul de frecvență 16 - 20.000 Hz, 16 Hz este de obicei luat ca limită superioară a intervalului de frecvență a infrasunetelor. Limita inferioară a intervalului de infrasunete este definită în mod convențional ca 0,001 Hz. Oscilațiile de zecimi și chiar sutimi de herți, adică cu perioade de zeci de secunde, pot fi de interes practic.

Natura apariției vibrațiilor infrasonice este aceeași cu cea a sunetului audibil, prin urmare infrasunetele este supus acelorași legi și același aparat matematic este folosit pentru a-l descrie ca pentru sunetul audibil obișnuit (cu excepția conceptelor legate de nivelul sunetului) . Infrasunetele este slab absorbit de mediu, astfel încât se poate răspândi pe distanțe considerabile de la sursă. Datorită lungimii de undă foarte mare, difracția este pronunțată.

Infrasunetele generate în mare sunt numite unul dintre posibilele motive pentru găsirea navelor abandonate de echipaj (vezi Triunghiul Bermudelor, Nava fantomă).

Infrasunete. Efectul infrasunetelor asupra obiectelor biologice.

Infrasunete- procese oscilatorii cu frecvenţe sub 20 Hz. Infrasunetele– nu sunt percepute de auzul uman.

Infrasunetele au un efect negativ asupra stării funcționale a unui număr de sisteme ale corpului: oboseală, cefalee, somnolență, iritație etc.

Se presupune că mecanismul primar de acțiune al infrasunetelor asupra corpului este de natură rezonantă.

Ultrasunete, metode de producere a acestuia. Caracteristici fizice și caracteristici ale propagării undelor ultrasonice. Interacțiunea ultrasunetelor cu materia. Cavitație. Aplicații ale ultrasunetelor: ecolocație, dispersie, detectarea defectelor, tăiere cu ultrasunete.

Ecografie -(SUA) sunt vibrații mecanice și unde ale căror frecvențe sunt mai mari de 20 kHz.

Pentru a obține ultrasunete, dispozitivele au apelat Ultrasunete – emițător. Cel mai răspândit emițători electromecanici, pe baza fenomenului de efect piezoelectric invers.

Prin natura sa fizică Ecografie reprezintă unde elastice iar în aceasta nu este diferit de sunet. de la 20.000 la un miliard de Hz. Caracteristica fizică fundamentală a vibrațiilor sonore este amplitudinea undei sau amplitudinea deplasării.

Ecografieîn gaze și, în special, în aer, se propagă cu mare atenuare. Lichidele și solidele (în special monocristalele) sunt în general buni conductori. Ultrasunete, atenuare, în care este semnificativ mai mică. De exemplu, în apă, atenuarea ultrasunetelor, toate celelalte lucruri fiind egale, este de aproximativ 1000 de ori mai mică decât în ​​aer.

Cavitație– compresia si rarefacția creată de ultrasunete duc la formarea de discontinuități în continuitatea lichidului.

Aplicarea cu ultrasunete:

Ecolocație - o metodă prin care poziția unui obiect este determinată de timpul de întârziere al revenirii undei reflectate.

Dispersând - Măcinarea solidelor sau lichidelor sub influența vibrațiilor ultrasonice.

Detectarea defectelor - căutare defecteîn materialul produsului folosind metoda ultrasonică, adică prin emiterea și primirea vibrațiilor ultrasonice și analizarea în continuare a amplitudinii, timpului de sosire, formei, etc. folosind echipamente speciale - ultrasonice detector de defecte.

Tăiere cu ultrasunete- bazata pe transmiterea vibratiilor mecanice cu ultrasunete catre unealta taietoare, care reduce semnificativ forta de taiere, costul echipamentelor si imbunatateste calitatea produselor fabricate (filetare, gaurire, strunjire, frezare). Tăierea cu ultrasunete este folosită în medicină pentru tăierea țesuturilor biologice.

Efectul ultrasunetelor asupra obiectelor biologice. Utilizarea ultrasunetelor pentru diagnostic și tratament. Chirurgie cu ultrasunete. Avantajele metodelor ultrasonice.

Procesele fizice cauzate de influența ultrasunetelor provoacă următoarele efecte principale în obiectele biologice.

Microvibrații la nivel celular și subcelular;

Distrugerea biomacromoleculelor;

Restructurarea și deteriorarea membranelor biologice, modificări ale permeabilității membranei;

Acțiune termică;

Distrugerea celulelor și a microorganismelor.

Aplicațiile biomedicale ale ultrasunetelor pot fi împărțite în principal în două domenii: metode de diagnostic și cercetare și metode de intervenție.

Metoda de diagnostic:

1) includ metode de localizare și utilizarea în principal a radiațiilor pulsate.

Z: encefalografie– detectarea tumorilor și a edemului cerebral, cardiografie cu ultrasunete– măsurarea dimensiunii inimii în dinamică; in oftalmologie - localizare cu ultrasunete pentru a determina dimensiunea mediilor oculare. Folosind efectul Doppler, se studiază modelul de mișcare a valvelor inimii și se măsoară viteza fluxului sanguin.

2) Tratamentul include kinetoterapie cu ultrasunete. De obicei, pacientul este expus la o frecvență de 800 kHz.

Mecanismul principal al terapiei cu ultrasunete este efectele mecanice și termice asupra țesutului.

Pentru tratamentul bolilor precum astmul, tuberculoza etc. Folosesc aerosoli din diverse substanțe medicinale obținute cu ajutorul ultrasunetelor.

În timpul operațiilor, ultrasunetele sunt folosite ca un „bisturiu cu ultrasunete”, capabil să taie atât țesutul moale, cât și cel osos. În prezent, a fost dezvoltată o nouă metodă pentru „sudarea” țesutului osos deteriorat sau transplantat folosind ultrasunete (osteosinteză cu ultrasunete).

Principalul avantaj al ultrasunetelor față de alți mutageni (raze X, raze ultraviolete) este că este extrem de ușor de lucrat.

Efectul Doppler și utilizarea sa în medicină.

efectul Doppler numiți modificarea frecvenței undelor percepute de un observator (receptor de undă) datorită mișcării relative a sursei de undă și a observatorului.

Efectul a fost descris pentru prima datăChristian DopplerV1842 an.

Efectul Doppler este utilizat pentru a determina viteza fluxului sanguin, viteza de mișcare a valvelor și pereților inimii (ecocardiografie Doppler) și a altor organe.

Manifestarea efectului Doppler este utilizat pe scară largă în diferite dispozitive medicale, care, de regulă, folosesc unde ultrasonice în intervalul de frecvență MHz.

De exemplu, undele ultrasunete reflectate de celulele roșii din sânge pot fi utilizate pentru a determina viteza fluxului sanguin. În mod similar, această metodă poate fi folosită pentru a detecta mișcarea toracelui fetal, precum și pentru a monitoriza de la distanță bătăile inimii.

16. Ecografie- vibratii elastice cu o frecventa peste limita de audibilitate la om. De obicei, domeniul ultrasonic este considerat a fi frecvențe de peste 18.000 herți.

Deși existența ultrasunetelor este cunoscută de mult timp, utilizarea sa practică este destul de tânără. În zilele noastre, ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în diverse metode fizice și tehnologice. Astfel, viteza de propagare a sunetului într-un mediu este utilizată pentru a aprecia caracteristicile sale fizice. Măsurătorile vitezei la frecvențe ultrasonice fac posibilă determinarea, de exemplu, a caracteristicilor adiabatice ale proceselor rapide, a capacității termice specifice a gazelor și a constantelor elastice ale solidelor cu erori foarte mici.

Frecvența vibrațiilor ultrasonice utilizate în industrie și biologie se află în intervalul de ordinul a câțiva MHz. Astfel de vibrații sunt create de obicei folosind traductoare piezoceramice din titanit de bariu. În cazurile în care puterea vibrațiilor ultrasonice este de importanță primordială, se folosesc de obicei surse de ultrasunete mecanice. Inițial, toate undele ultrasonice au fost recepționate mecanic (diapazon, fluiere, sirene).

În natură, ultrasunetele se găsesc atât ca componente ale multor zgomote naturale (în zgomotul vântului, al cascadei, al ploii, în zgomotul pietricelelor rostogolite de fluviul mării, în sunetele care însoțesc descărcările de furtună etc.), cât și printre sunete. a lumii animale. Unele animale folosesc unde ultrasonice pentru a detecta obstacolele și pentru a naviga în spațiu.

Emițătorii de ultrasunete pot fi împărțiți în două grupuri mari. Primul include emițători-generatori; oscilațiile din ele sunt excitate din cauza prezenței obstacolelor pe calea unui flux constant - un curent de gaz sau lichid. Al doilea grup de emițători sunt traductoarele electroacustice; ele convertesc fluctuațiile date deja ale tensiunii sau curentului electric în vibrații mecanice ale unui corp solid, care emite unde acustice în mediu.

Proprietățile fizice ale ultrasunetelor

Utilizarea ultrasunetelor în diagnosticul medical este asociată cu posibilitatea obținerii de imagini ale organelor și structurilor interne. Baza metodei este interacțiunea ultrasunetelor cu țesuturile corpului uman. Achiziția reală a imaginii poate fi împărțită în două părți. Prima este emisia de impulsuri ultrasonice scurte direcționate către țesuturile examinate, iar a doua este formarea unei imagini pe baza semnalelor reflectate. Înțelegerea principiului de funcționare al unei unități de diagnostic cu ultrasunete, cunoașterea fizicii de bază a ultrasunetelor și a interacțiunii sale cu țesuturile corpului uman vă vor ajuta să evitați utilizarea mecanică, necugetă a dispozitivului și, prin urmare, să abordați procesul de diagnosticare mai competent.

Sunetul este o undă longitudinală mecanică în care vibrațiile particulelor sunt în același plan cu direcția de propagare a energiei (Fig. 1).

Orez. 1. Reprezentarea vizuală și grafică a modificărilor de presiune și densitate într-o undă ultrasonică.

Un val transportă energie, dar nu materie. Spre deosebire de undele electromagnetice (lumină, unde radio etc.), sunetul necesită un mediu pentru a se propaga - nu se poate propaga în vid. Ca toate undele, sunetul poate fi descris printr-o serie de parametri. Acestea sunt frecvența, lungimea de undă, viteza de propagare în mediu, perioada, amplitudinea și intensitatea. Frecvența, perioada, amplitudinea și intensitatea sunt determinate de sursa sonoră, viteza de propagare este determinată de mediu, iar lungimea de undă este determinată atât de sursa sonoră, cât și de mediu. Frecvența este numărul de oscilații (cicluri) complete pe o perioadă de timp de 1 secundă (Fig. 2).

Orez. 2. Frecvența undelor ultrasonice 2 cicluri în 1 s = 2 Hz

Unitățile de frecvență sunt hertzi (Hz) și megaherți (MHz). Un hertz este o vibrație pe secundă. Un megahertz = 1.000.000 de herți. Ce face sunetul „ultra”? Aceasta este frecvența. Limita superioară a sunetului audibil, 20.000 Hz (20 kiloherți (kHz)), este limita inferioară a intervalului de ultrasunete. Localizatoarele de lilieci cu ultrasunete funcționează în intervalul 25÷500 kHz. Aparatele moderne cu ultrasunete folosesc ultrasunete cu o frecvență de 2 MHz și mai mare pentru a obține imagini. Perioada este timpul necesar pentru a obține un ciclu complet de oscilații (Fig. 3).

Orez. 3. Perioada undei ultrasonice.

Unitățile perioadei sunt secunda (s) și microsecunda (µsec). O microsecundă este o milioneme dintr-o secundă. Perioada (µsec) = 1/frecvență (MHz). Lungimea de undă este lungimea pe care o ocupă o vibrație în spațiu (Fig. 4).

Orez. 4. Lungimea de undă.

Unitățile de măsură sunt metrul (m) și milimetrul (mm). Viteza ultrasunetelor este viteza cu care unda se deplasează printr-un mediu. Unitățile de măsură ale vitezei de propagare a ultrasunetelor sunt metri pe secundă (m/s) și milimetri pe microsecundă (mm/µsec). Viteza de propagare a ultrasunetelor este determinată de densitatea și elasticitatea mediului. Viteza de propagare a ultrasunetelor crește odată cu creșterea elasticității și scăderea densității mediului. Tabelul 2.1 arată viteza de propagare a ultrasunetelor în unele țesuturi ale corpului uman.

Tabelul 2.1. Viteza de propagare a ultrasunetelor în țesuturile moi
Textile	Viteza de propagare a ultrasunetelor în mm/µsec
Țesut adipos
Țesuturi moi (medie)
Apă (20°C)

Viteza medie de propagare a ultrasunetelor în țesuturile corpului uman este de 1540 m/s - majoritatea dispozitivelor de diagnosticare cu ultrasunete sunt programate pentru această viteză. Viteza de propagare a ultrasunetelor (C), frecvența (f) și lungimea de undă (λ) sunt legate între ele prin următoarea ecuație: C = f × λ. Deoarece în cazul nostru viteza este considerată constantă (1540 m/s), celelalte două variabile f și λ sunt legate între ele printr-o relație invers proporțională. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică și dimensiunea obiectelor pe care le putem vedea este mai mică. Un alt parametru important de mediu este impedanța acustică (Z). Rezistența acustică este produsul dintre densitatea mediului și viteza de propagare a ultrasunetelor. Rezistența (Z) = densitatea (p) × viteza de propagare (C).

Pentru a obține o imagine în diagnosticul cu ultrasunete, nu ultrasunetele sunt emise de un traductor continuu (undă constantă), ci ultrasunetele emise sub formă de impulsuri scurte (puls). Este generată prin aplicarea unor impulsuri electrice scurte elementului piezoelectric. Parametrii suplimentari sunt utilizați pentru a caracteriza ultrasunetele pulsate. Rata de repetare a impulsurilor este numărul de impulsuri emise pe unitatea de timp (secundă). Frecvența de repetare a pulsului este măsurată în herți (Hz) și kiloherți (kHz). Durata impulsului este durata de timp a unui impuls (Fig. 5).

Orez. 5. Durata impulsului cu ultrasunete.

Măsurat în secunde (s) și microsecunde (µsec). Factorul de ocupare este fracțiunea de timp în care sunt emise ultrasunetele (sub formă de impulsuri). Extensia pulsului spațial (SPR) este lungimea spațiului în care este plasat un impuls ultrasonic (Fig. 6).

Orez. 6. Extinderea spațială a pulsului.

Pentru țesuturile moi, extinderea spațială a pulsului (mm) este egală cu produsul dintre 1,54 (viteza de propagare a ultrasunetelor în mm/µsec) și numărul de oscilații (cicluri) în impuls (n) împărțit la frecvența în MHz. Sau PPI = 1,54 × n/f. Reducerea întinderii spațiale a pulsului poate fi realizată (și acest lucru este foarte important pentru îmbunătățirea rezoluției axiale) prin reducerea numărului de oscilații în puls sau creșterea frecvenței. Amplitudinea undei ultrasonice este abaterea maximă a variabilei fizice observate de la valoarea medie (Fig. 7).

Orez. 7. Amplitudinea undei ultrasonice

Intensitatea ultrasunetelor este raportul dintre puterea undelor și zona pe care este distribuit fluxul ultrasonic. Se măsoară în wați pe centimetru pătrat (W/sq.cm). Cu putere de radiație egală, cu cât aria de flux este mai mică, cu atât intensitatea este mai mare. Intensitatea este, de asemenea, proporțională cu pătratul amplitudinii. Deci, dacă amplitudinea se dublează, atunci intensitatea se multiplică de patru ori. Intensitatea este neuniformă atât pe zona de curgere, cât și, în cazul ultrasunetelor pulsate, în timp.

La trecerea prin orice mediu, va exista o scădere a amplitudinii și intensității semnalului ultrasonic, care se numește atenuare. Atenuarea semnalului cu ultrasunete este cauzată de absorbție, reflexie și împrăștiere. Unitatea de atenuare este decibelul (dB). Coeficientul de atenuare este atenuarea unui semnal ultrasonic pe unitatea de lungime de cale a acestui semnal (dB/cm). Coeficientul de atenuare crește odată cu creșterea frecvenței. Coeficienții medii de atenuare a țesuturilor moi și scăderea intensității semnalului eco în funcție de frecvență sunt prezentate în Tabelul 2.2.

Tabelul 2.2. Coeficienții medii de atenuare în țesuturile moi
Frecvență, MHz	Coeficientul mediu de atenuare pentru țesuturile moi, dB/cm	Reducerea intensității cu adâncimea
		1 cm (%)	10 cm (%)

) și sunete muzicale (care alcătuiesc muzica). Sunetele muzicale conțin nu unul, ci mai multe tonuri și uneori componente de zgomot într-o gamă largă de frecvențe.

Conceptul de sunet

Undele sonore din aer sunt zone alternative de compresie și rarefacție.

Undele sonore pot servi ca exemplu de proces oscilator. Orice oscilație este asociată cu o încălcare a stării de echilibru a sistemului și este exprimată prin abaterea caracteristicilor sale de la valorile de echilibru cu o revenire ulterioară la valoarea inițială. Pentru vibrațiile sonore, această caracteristică este presiunea într-un punct din mediu, iar abaterea acesteia este presiunea sonoră.

Dacă faceți o deplasare bruscă a particulelor unui mediu elastic într-un singur loc, de exemplu folosind un piston, atunci presiunea în acest loc va crește. Datorită legăturilor elastice ale particulelor, presiunea este transmisă particulelor învecinate, care, la rândul lor, acționează asupra celor următoare, iar zona de presiune crescută pare să se miște într-un mediu elastic. O regiune de înaltă presiune este urmată de o regiune de joasă presiune și astfel se formează o serie de regiuni alternante de compresie și rarefacție, care se propagă în mediu sub formă de undă. Fiecare particulă a mediului elastic în acest caz va efectua mișcări oscilatorii.

În mediile lichide și gazoase, unde nu există fluctuații semnificative ale densității, undele acustice sunt de natură longitudinală, adică direcția de vibrație a particulelor coincide cu direcția de mișcare a undei. La solide, pe lângă deformațiile longitudinale, apar și deformații elastice de forfecare, determinând excitarea undelor transversale (de forfecare); în acest caz, particulele oscilează perpendicular pe direcția de propagare a undei. Viteza de propagare a undelor longitudinale este mult mai mare decât viteza de propagare a undelor de forfecare.

În filozofia, psihologia și ecologia comunicării, sunetul este studiat în legătură cu impactul său asupra percepției și gândirii (vorbim, de exemplu, despre spațiul acustic ca spațiu creat de influența comunicațiilor electronice).

Parametrii fizici ai sunetului

Viteza sunetului în aer depinde de temperatură și în condiții normale este de aproximativ 340 m/s.

Viteza sunetului în orice mediu este calculată prin formula:

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

Unde β (\displaystyle \beta)- compresibilitatea adiabatică a mediului; ρ (\displaystyle \rho )- densitate.

Volumul sunetului

Volumul sunetului- percepția subiectivă a puterii sunetului (valoarea absolută a senzației auditive). Nivelul sonor depinde în principal de presiunea sonoră, amplitudinea și frecvența vibrațiilor sonore. De asemenea, intensitatea unui sunet este influențată de compoziția sa spectrală, localizarea în spațiu, timbrul, durata expunerii la vibrațiile sonore, sensibilitatea individuală a analizorului auditiv uman și alți factori.

Generare de sunet

De obicei, corpurile oscilante de diferite naturi sunt folosite pentru a genera sunet, provocând vibrații în aerul din jur. Un exemplu de astfel de generație este utilizarea corzilor vocale, a difuzoarelor sau a unui diapazon. Majoritatea instrumentelor muzicale se bazează pe același principiu. O excepție o constituie instrumentele de suflat, în care sunetul este generat de interacțiunea fluxului de aer cu neomogenitățile din instrument. Pentru a crea un sunet coerent, se folosesc așa-numitele lasere de sunet sau fonon.

Diagnosticarea cu ultrasunete

Ecografie- vibratii sonore elastice de inalta frecventa. Urechea umană percepe unde elastice care se propagă în mediu cu o frecvență de până la aproximativ 16 Hz-20 kHz; Vibrațiile cu frecvență mai mare sunt ultrasunetele (dincolo de limita audibilă).

Propagarea ultrasunetelor

Propagarea ultrasunetelor este procesul de mișcare în spațiu și timp a perturbărilor care apar într-o undă sonoră.

O undă sonoră se propagă într-o substanță în stare gazoasă, lichidă sau solidă în aceeași direcție în care sunt deplasate particulele acestei substanțe, adică provoacă deformarea mediului. Deformarea constă în faptul că are loc o rarefacție și comprimare succesivă a anumitor volume ale mediului, iar distanța dintre două zone adiacente corespunde lungimii undei ultrasonice. Cu cât este mai mare rezistența acustică specifică a mediului, cu atât este mai mare gradul de compresie și rarefiere a mediului la o anumită amplitudine de vibrație.

Particulele mediului implicate în transferul energiei valurilor oscilează în jurul poziției lor de echilibru. Viteza cu care particulele oscilează în jurul poziției medii de echilibru se numește viteză de oscilație. Viteza de vibrație a particulelor se modifică conform ecuației:

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

unde V este mărimea vitezei oscilatorii;

• U este amplitudinea vitezei oscilatorii;
• f - frecvența ultrasunetelor;
• t - timp;
• G este diferența de fază dintre viteza de vibrație a particulelor și presiunea acustică variabilă.

Amplitudinea vitezei de oscilație caracterizează viteza maximă la care particulele mediului se mișcă în timpul procesului de oscilație și este determinată de frecvența oscilațiilor și de amplitudinea deplasării particulelor de mediu.

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

Difracție, interferență

Când undele ultrasonice se propagă, sunt posibile fenomene de difracție, interferență și reflexie.

Difracția (undele care se îndoaie în jurul obstacolelor) apare atunci când lungimea de undă ultrasonică este comparabilă (sau mai mare) cu dimensiunea obstacolului din cale. Dacă obstacolul este mare în comparație cu lungimea de undă acustică, atunci nu există un fenomen de difracție.

Când mai multe unde ultrasonice se mișcă simultan într-un mediu, apare o suprapunere (suprapunere) a acestor unde în fiecare punct specific al mediului. Suprapunerea undelor de aceeași frecvență una peste alta se numește interferență. Dacă undele ultrasonice se intersectează în timp ce trec printr-un obiect, atunci în anumite puncte ale mediului se observă o creștere sau o scădere a vibrațiilor. În acest caz, starea punctului din mediu în care are loc interacțiunea depinde de raportul de fază al vibrațiilor ultrasonice în acest punct. Dacă undele ultrasonice ating o anumită zonă a mediului în aceleași faze (în fază), atunci deplasările particulelor au aceleași semne, iar interferența în astfel de condiții duce la o creștere a amplitudinii oscilațiilor. Dacă undele ajung într-un punct al mediului în antifază, atunci deplasarea particulelor va fi în direcții diferite, ceea ce duce la o scădere a amplitudinii oscilațiilor.

Absorbția undelor ultrasonice

Deoarece mediul în care se propagă ultrasunetele are vâscozitate, conductivitate termică și alte cauze ale frecării interne, absorbția are loc pe măsură ce unda se propagă, adică pe măsură ce se îndepărtează de sursă, amplitudinea și energia vibrațiilor ultrasonice devin mai mici. Mediul în care se propagă ultrasunetele interacționează cu energia care trece prin el și absoarbe o parte din acesta. Partea predominantă a energiei absorbite este transformată în căldură, partea mai mică provoacă modificări structurale ireversibile ale substanței transmițătoare. Absorbția este rezultatul frecării particulelor între ele; este diferită în diferite medii. Absorbția depinde și de frecvența vibrațiilor ultrasonice. Teoretic, absorbția este proporțională cu pătratul frecvenței.

Cantitatea de absorbție poate fi caracterizată prin coeficientul de absorbție, care arată cum se modifică intensitatea ultrasunetelor în mediul iradiat. Crește odată cu creșterea frecvenței. Intensitatea vibrațiilor ultrasonice în mediu scade exponențial. Acest proces este cauzat de frecarea internă, conductivitatea termică a mediului absorbant și structura acestuia. Se caracterizează aproximativ prin dimensiunea stratului semiabsorbant, care arată la ce adâncime intensitatea vibrațiilor scade la jumătate (mai precis, de 2.718 ori sau cu 63%). Potrivit lui Pahlman, la o frecvență de 0,8 MHz, valorile medii ale stratului semiabsorbant pentru unele țesuturi sunt următoarele: țesut adipos - 6,8 cm; muscular - 3,6 cm; grăsime și țesut muscular împreună - 4,9 cm.Odată cu creșterea frecvenței ultrasunetelor, dimensiunea stratului semiabsorbant scade. Astfel, la o frecvență de 2,4 MHz, intensitatea ultrasunetelor care trece prin țesutul adipos și muscular este înjumătățită la o adâncime de 1,5 cm.

În plus, este posibilă absorbția anormală a energiei vibrațiilor ultrasonice în anumite intervale de frecvență - aceasta depinde de caracteristicile structurii moleculare a unui țesut dat. Se știe că 2/3 din energia ultrasunetelor este atenuată la nivel molecular și 1/3 la nivelul structurilor microscopice de țesut.

Adâncimea de penetrare a undelor ultrasonice

Adâncimea de penetrare a ultrasunetelor se referă la adâncimea la care intensitatea este redusă la jumătate. Această valoare este invers proporțională cu absorbția: cu cât mediul absoarbe mai puternic ultrasunetele, cu atât distanța la care intensitatea ultrasunetelor este atenuată la jumătate este mai mică.

Imprăștirea undelor ultrasonice

Dacă există neomogenități în mediu, atunci are loc împrăștierea sunetului, care poate schimba semnificativ modelul simplu de propagare a ultrasunetelor și, în cele din urmă, poate determina, de asemenea, atenuarea undei în direcția inițială de propagare.

Refracția undelor ultrasonice

Deoarece rezistența acustică a țesuturilor moi umane nu este mult diferită de rezistența apei, se poate presupune că refracția undelor ultrasonice va fi observată la interfața dintre medii (epidermă - derm - fascia - mușchi).

Reflexia undelor ultrasonice

Diagnosticul cu ultrasunete se bazează pe fenomenul de reflexie. Reflecția are loc în zonele de frontieră ale pielii și grăsimii, grăsimilor și mușchilor, mușchilor și oaselor. Dacă ultrasunetele, în timp ce se propagă, întâlnesc un obstacol, atunci are loc reflexia; dacă obstacolul este mic, atunci ultrasunetele pare să curgă în jurul lui. Eterogeneitățile corpului nu provoacă abateri semnificative, deoarece în comparație cu lungimea de undă (2 mm) dimensiunile lor (0,1-0,2 mm) pot fi neglijate. Dacă ultrasunetele pe calea sa întâlnesc organe ale căror dimensiuni sunt mai mari decât lungimea de undă, atunci are loc refracția și reflectarea ultrasunetelor. Cea mai puternică reflexie se observă la limitele osului - țesutul din jur și țesutului - aer. Aerul are densitate scăzută și se observă reflexia aproape completă a ultrasunetelor. Reflectarea undelor ultrasonice se observă la limita mușchiului - periost - os, pe suprafața organelor goale.

Unde ultrasonice calatorii si in picioare

Dacă, atunci când undele ultrasonice se propagă într-un mediu, acestea nu sunt reflectate, se formează unde de călătorie. Ca urmare a pierderilor de energie, mișcările oscilatorii ale particulelor mediului se atenuează treptat, iar cu cât particulele sunt mai departe de suprafața radiantă, cu atât amplitudinea oscilațiilor lor este mai mică. Dacă, pe calea de propagare a undelor ultrasonice, există țesuturi cu diferite rezistențe acustice specifice, atunci, într-un grad sau altul, undele ultrasonice sunt reflectate de la interfața limită. Suprapunerea undelor ultrasonice incidente și reflectate poate duce la unde staționare. Pentru ca undele staționare să apară, distanța de la suprafața emițătorului la suprafața reflectantă trebuie să fie un multiplu de jumătate din lungimea de undă.

Infrasunete

Infrasunetele generate în mare sunt numite unul dintre posibilele motive pentru găsirea de nave abandonate de echipaj.

Experimente și demonstrații

Trâmbița Rubens este folosită pentru a demonstra undele staționare ale sunetului.

Diferența în viteza de propagare a sunetului este clară: atunci când inspiră heliu în loc de aer și spun ceva în timp ce expiră cu el, vocea devine mai ridicată. Dacă gazul este hexafluorură de sulf SF 6, atunci vocea sună mai jos. Acest lucru se datorează faptului că gazele sunt aproximativ la fel de bine comprimate, prin urmare, în heliu, care are o densitate foarte scăzută în comparație cu aerul, viteza sunetului crește și scade în hexafluorura de sulf, care are o densitate foarte mare pentru gaze, în timp ce dimensiunile rezonatorului oral uman rămân neschimbate, în Ca urmare, frecvența de rezonanță se modifică, deoarece cu cât viteza sunetului este mai mare, cu atât frecvența de rezonanță este mai mare, celelalte condiții rămânând neschimbate.

Ultrasunetele reprezintă unde longitudinale care au o frecvență de oscilație mai mare de 20 kHz. Aceasta este mai mare decât frecvența vibrațiilor percepute de aparatul auditiv uman. O persoană poate percepe frecvențe în intervalul 16-20 KHz, acestea se numesc sunet. Undele ultrasonice arată ca o serie de condensări și rarefacții ale unei substanțe sau medii. Datorită proprietăților lor, sunt utilizate pe scară largă în multe domenii.

Ce este asta

Gama de ultrasunete include frecvențe cuprinse între 20 de mii și câteva miliarde de herți. Acestea sunt vibrații de înaltă frecvență care depășesc domeniul de audibilitate al urechii umane. Cu toate acestea, unele specii de animale percep undele ultrasonice destul de bine. Aceștia sunt delfinii, balenele, șobolanii și alte mamifere.

În funcție de proprietățile lor fizice, undele ultrasonice sunt elastice, deci nu sunt diferite de undele sonore. Ca urmare, diferența dintre sunet și vibrațiile ultrasonice este foarte arbitrară, deoarece depinde de percepția subiectivă a auzului unei persoane și este egală cu nivelul superior al sunetului audibil.

Dar prezența unor frecvențe mai înalte și, prin urmare, a unei lungimi de undă scurte, conferă vibrațiilor ultrasonice anumite caracteristici:

• Frecvențele ultrasunetelor au viteze diferite de deplasare prin diferite substanțe, datorită cărora este posibil să se determine cu mare precizie proprietățile proceselor în curs, capacitatea termică specifică a gazelor, precum și caracteristicile unui solid.
• Undele de intensitate semnificativă au anumite efecte care sunt supuse acusticii neliniare.
• Când undele ultrasonice se mișcă cu o putere semnificativă într-un mediu lichid, are loc fenomenul de cavitație acustică. Acest fenomen este foarte important, deoarece, ca urmare, se creează un câmp de bule, care se formează din particule submicroscopice de gaz sau vapori într-un mediu apos sau alt mediu. Ele pulsează cu o anumită frecvență și se închid cu o presiune locală enormă. Acest lucru creează unde de șoc sferice, ceea ce duce la apariția unor fluxuri acustice microscopice. Folosind acest fenomen, oamenii de știință au învățat să curețe părțile contaminate, precum și să creeze torpile care se mișcă în apă mai repede decât viteza sunetului.
• Ultrasunetele pot fi focalizate și concentrate, permițând crearea de modele sonore. Această proprietate a fost folosită cu succes în holografie și viziune sonoră.
• O undă ultrasonică poate acționa foarte bine ca o rețea de difracție.

Proprietăți

Undele ultrasonice sunt similare ca proprietăți cu undele sonore, dar au și caracteristici specifice:

• Lungime de undă scurtă. Chiar și pentru o margine joasă, lungimea este mai mică de câțiva centimetri. O lungime atât de mică duce la natura radială a mișcării vibrațiilor ultrasonice. Direct lângă emițător, unda se deplasează sub forma unui fascicul, care se apropie de parametrii emițătorului. Cu toate acestea, aflându-se într-un mediu neomogen, fasciculul se mișcă ca o rază de lumină. De asemenea, poate fi reflectat, împrăștiat, refractat.
• Perioada de oscilație este scurtă, făcând posibilă utilizarea vibrațiilor ultrasonice sub formă de impulsuri.
• Ultrasunetele nu se aud și nu creează un efect iritant.
• Atunci când sunt expuse la vibrații ultrasonice pe anumite medii, pot fi obținute efecte specifice. De exemplu, puteți crea încălzire locală, degazare, dezinfectare a mediului, cavitație și multe alte efecte.

Principiul de funcționare

Sunt folosite diferite dispozitive pentru a crea vibrații ultrasonice:

• Mecanic, unde sursa este energia unui lichid sau gaz.
• Electromecanic, unde energia ultrasonică este creată din energia electrică.

Fluierele și sirenele alimentate de aer sau lichid pot acționa ca emițători mecanici. Sunt convenabile și simple, dar au dezavantajele lor. Deci eficiența lor este în intervalul 10-20 la sută. Ele creează un spectru larg de frecvențe cu amplitudine și frecvență instabile. Acest lucru duce la faptul că astfel de dispozitive nu pot fi utilizate în condițiile în care este necesară precizie. Cel mai adesea sunt folosite ca dispozitive de semnalizare.

Dispozitivele electromecanice folosesc principiul efectului piezoelectric. Particularitatea sa este că atunci când se formează sarcini electrice pe fețele cristalului, acesta se contractă și se întinde. Ca urmare, se creează oscilații cu o frecvență care depinde de perioada de modificare a potențialului pe suprafețele cristalului.

Pe lângă traductoarele care se bazează pe efectul piezoelectric, pot fi utilizați și traductoare magnetostrictive. Sunt folosite pentru a crea un fascicul ultrasunet puternic. Miezul, care este realizat din material magnetostrictiv, plasat într-o înfășurare conductivă, își schimbă propria lungime în funcție de forma semnalului electric care intră în înfășurare.

Aplicație

Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă într-o mare varietate de domenii.

Cel mai adesea este utilizat în următoarele domenii:

• Obținerea de date despre o anumită substanță.
• Procesarea și transmiterea semnalului.
• Impactul asupra substanței.

Astfel, cu ajutorul undelor ultrasonice studiază:

• Procese moleculare în diferite structuri.
• Determinarea concentrației substanțelor în soluții.
• Determinarea compoziției, caracteristicile de rezistență ale materialelor și așa mai departe.

În prelucrarea cu ultrasunete, metoda cavitației este adesea folosită:

• Metalizarea.
• Curățare cu ultrasunete.
• Degazarea lichidelor.
• Dispersia.
• Primirea aerosolilor.
• Sterilizare cu ultrasunete.
• Distrugerea microorganismelor.
• Intensificarea proceselor electrochimice.

Următoarele operațiuni tehnologice sunt efectuate în industrie sub influența undelor ultrasonice:

• Coagulare.
• Arderea într-un mediu cu ultrasunete.
• Uscare.
• Sudare.

În medicină, undele ultrasonice sunt folosite în terapie și diagnosticare. Diagnosticarea implică metode de localizare folosind radiații pulsate. Acestea includ cardiografia cu ultrasunete, ecoencefalografia și o serie de alte metode. În terapie, undele ultrasonice sunt folosite ca metode bazate pe efecte termice și mecanice asupra țesutului. De exemplu, un bisturiu cu ultrasunete este adesea folosit în timpul operațiilor.

Vibrațiile cu ultrasunete efectuează și:

• Micromasajul structurilor tisulare folosind vibrații.
• Stimularea regenerării celulare, precum și schimbul intercelular.
• Creșterea permeabilității membranelor tisulare.

Ultrasunetele pot actiona asupra tesuturilor prin inhibitie, stimulare sau distrugere. Toate acestea depind de doza aplicată de vibrații ultrasonice și de puterea acestora. Cu toate acestea, nu toate zonele corpului uman au voie să folosească astfel de valuri. Deci, cu o oarecare precauție, acţionează asupra mușchiului inimii și asupra unui număr de organe endocrine. Creierul, vertebrele cervicale, scrotul și o serie de alte organe nu sunt afectate deloc.

Vibrațiile cu ultrasunete sunt utilizate în cazurile în care este imposibil să se utilizeze raze X în:

• Traumatologia folosește metoda ecografiei, care detectează cu ușurință sângerarea internă.
• În obstetrică, undele sunt folosite pentru a evalua dezvoltarea fătului, precum și parametrii acesteia.
• Cardiologie vă permit să examinați sistemul cardiovascular.

Ecografia în viitor

În prezent, ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii, dar în viitor își vor găsi și mai multe aplicații. Deja astăzi plănuim să creăm dispozitive fantastice pentru astăzi.

• Tehnologia hologramei acustice cu ultrasunete este dezvoltată în scopuri medicale. Această tehnologie presupune aranjarea microparticulelor în spațiu pentru a crea imaginea necesară.
• Oamenii de știință lucrează pentru a crea tehnologie pentru dispozitivele fără contact care să înlocuiască dispozitivele tactile. De exemplu, au fost deja create dispozitive de jocuri care recunosc mișcările umane fără contact direct. Sunt dezvoltate tehnologii care implică crearea de butoane invizibile care pot fi simțite și controlate cu mâinile. Dezvoltarea unor astfel de tehnologii va face posibilă crearea de smartphone-uri sau tablete fără contact. În plus, această tehnologie va extinde capacitățile realității virtuale.
• Cu ajutorul undelor ultrasonice, este deja posibil să faceți obiecte mici să leviteze. În viitor, pot apărea mașini care vor pluti deasupra solului din cauza valurilor și, în absența frecării, se vor mișca cu o viteză extraordinară.
• Oamenii de știință sugerează că, în viitor, ultrasunetele îi vor învăța pe orbi să vadă. Această încredere se bazează pe faptul că liliecii recunosc obiectele folosind unde ultrasonice reflectate. A fost deja creată o cască care transformă undele reflectate în sunet audibil.
• Deja astăzi oamenii se așteaptă să extragă minerale în spațiu, pentru că totul este acolo. Așa că astronomii au găsit o planetă de diamant plină de pietre prețioase. Dar cum pot fi extrase astfel de materiale solide în spațiu? Este ultrasunetele care va ajuta la găurirea materialelor dense. Astfel de procese sunt destul de posibile chiar și în absența unei atmosfere. Astfel de tehnologii de foraj vor face posibilă colectarea de probe, efectuarea de cercetări și extragerea mineralelor acolo unde acest lucru este considerat imposibil astăzi.

Ultrasunetele este numele dat undelor elastice (unde care se propagă în medii lichide, solide și gazoase datorită acțiunii forțelor elastice), a căror frecvență se află în afara intervalului audibil pentru oameni - aproximativ 20 kHz și mai mult.

Caracteristici utile ale undelor ultrasonice

Și deși ultrasunetele au din punct de vedere fizic aceeași natură ca sunetul audibil, diferă doar condiționat (într-o frecvență mai mare), tocmai datorită frecvenței sale mai mari ultrasunetele sunt aplicabile într-o serie de domenii utile. Astfel, la măsurarea vitezei ultrasunetelor într-o substanță solidă, lichidă sau gazoasă, se obțin erori foarte nesemnificative la monitorizarea proceselor rapide, la determinarea capacității termice specifice (gaz), la măsurarea constantelor elastice ale solidelor.

Frecvența înaltă la amplitudini mici face posibilă obținerea densităților de flux de energie crescute, deoarece energia unei unde elastice este proporțională cu pătratul frecvenței sale. În plus, undele ultrasonice, utilizate în mod corect, fac posibilă obținerea unui număr de efecte și fenomene acustice foarte speciale.

Un astfel de fenomen neobișnuit este cavitația acustică, care apare atunci când o undă ultrasonică puternică este direcționată într-un lichid. Într-un lichid, în domeniul ultrasunetelor, bule minuscule de vapori sau gaz (dimensiune submicroscopică) încep să crească la fracții de milimetri în diametru, pulsand la frecvența undei și prăbușindu-se în faza de presiune pozitivă.

Bula care se prăbușește generează un impuls local de presiune ridicată, măsurat în mii de atmosfere, devenind o sursă de unde de șoc sferice. Microfluxurile acustice formate în apropierea unor astfel de bule pulsatoare au avut aplicații utile pentru producerea de emulsii, curățarea pieselor etc.

Prin focalizarea ultrasunetelor, imaginile sonore sunt obținute în holografia acustică și în sistemele de imagistică sonoră și concentrează energia sonoră pentru a forma radiații direcționate cu caracteristici direcționale specificate și controlate.

Folosind o undă ultrasonică ca rețea de difracție pentru lumină, este posibil, în anumite scopuri, modificarea indicilor de refracție ai luminii, deoarece densitatea într-o undă ultrasonică, ca în principiu într-o undă elastică, se modifică periodic.

În cele din urmă, caracteristici legate de viteza de propagare a ultrasunetelor. În mediile anorganice, ultrasunetele se propagă cu o viteză în funcție de elasticitatea și densitatea mediului.

În ceea ce privește mediile organice, viteza este influențată de limite și de natura lor, adică viteza de fază depinde de frecvență (dispersie). Ultrasunetele se atenuează pe măsură ce frontul de undă se îndepărtează de sursă - frontul diverge, ultrasunetele sunt împrăștiate și absorbite.

Frecarea internă a mediului (vâscozitatea de forfecare) duce la absorbția clasică a ultrasunetelor; în plus, absorbția de relaxare pentru ultrasunete depășește absorbția clasică. Ultrasunetele sunt atenuate mai puternic în gaze și mult mai slab în solide și lichide. În apă, de exemplu, se estompează de 1000 de ori mai lent decât în ​​aer. Astfel, aplicațiile industriale ale ultrasunetelor sunt aproape în întregime legate de solide și lichide.

Ultrasunete în ecolocație și sonar (alimentare, apărare, industria minieră)

Primul prototip al sonarului a fost creat pentru a preveni coliziunile navelor cu slouri de gheață și aisberguri de către inginerul rus Shilovsky împreună cu fizicianul francez Langevin încă din 1912.

Dispozitivul a folosit principiul reflectării și recepției undelor sonore. Semnalul a fost trimis la un anumit punct, iar prin întârzierea semnalului de răspuns (eco), știind viteza sunetului, a fost posibil să se judece distanța până la obstacolul care reflecta sunetul.

Shilovsky și Langevin au început să exploreze profund hidroacustica și au creat în curând un dispozitiv capabil să detecteze submarinele inamice în Marea Mediterană la o distanță de până la 2 kilometri. Toate sonarele moderne, inclusiv cele militare, sunt urmașii acelui dispozitiv.

Sondele moderne pentru studiul topografiei de jos constau din patru blocuri: emițător, receptor, traductor și ecran. Funcția emițătorului este de a trimite adânc în apă impulsuri ultrasonice (50 kHz, 192 kHz sau 200 kHz), care se propagă prin apă cu o viteză de 1,5 km/s, unde sunt reflectate de pești, pietre, alte obiecte. iar partea de jos, apoi ecoul ajunge la receptor și este procesat convertor, iar rezultatul este afișat pe afișaj într-o formă convenabilă pentru percepția vizuală.

Ultrasunetele în industria electronică și energetică

Multe domenii ale fizicii moderne nu se pot lipsi de ultrasunete. Fizica stării solide și semiconductorilor, precum și acustoelectronica, sunt în multe privințe strâns asociate cu metodele de cercetare cu ultrasunete - cu impacturi la frecvențe de 20 kHz și mai mari. Acoustoelectronics ocupă un loc special aici, unde undele ultrasonice interacționează cu câmpurile electrice și electronii din corpurile solide.

Undele ultrasonice volumetrice sunt utilizate pe liniile de întârziere și în rezonatoarele de cuarț pentru a stabiliza frecvența în sistemele electronice moderne de procesare și transmitere a informațiilor. Undele acustice de suprafață ocupă un loc special în filtrele de trecere de bandă pentru televiziune, în sintetizatoarele de frecvență, în dispozitivele de transfer de încărcare printr-o undă acustică, în dispozitivele de memorie și citire a imaginilor. În cele din urmă, corelatorii și convolverii folosesc efectul acustoelectric transversal în munca lor.

Radioelectronică și ultrasunete

Liniile de întârziere cu ultrasunete sunt utile pentru întârzierea unui semnal electric față de altul. Pulsul electric este transformat într-o oscilație mecanică pulsată de frecvență ultrasonică, care se propagă de multe ori mai lent decât pulsul electromagnetic; vibrația mecanică este apoi convertită înapoi într-un impuls electric, producând un semnal care este întârziat față de cel aplicat inițial.

Pentru o astfel de conversie se folosesc de obicei traductoare piezoelectrice sau magnetostrictive, motiv pentru care liniile de întârziere sunt numite piezoelectrice sau magnetostrictive.

Într-o linie de întârziere piezoelectrică, un semnal electric este furnizat unei plăci de cuarț (transductor piezoelectric) conectată rigid la o tijă metalică.

Un al doilea traductor piezoelectric este atașat la celălalt capăt al tijei. Traductorul de intrare primește semnalul, creează vibrații mecanice care se propagă de-a lungul tijei, iar când vibrațiile ajung la al doilea traductor prin tijă, se obține din nou un semnal electric.

Viteza de propagare a vibrațiilor de-a lungul tijei este mult mai mică decât cea a unui semnal electric, prin urmare semnalul care trece prin tijă este întârziat față de cel furnizat de o cantitate asociată cu diferența de viteză a vibrațiilor electromagnetice și ultrasonice.

Linia de întârziere magnetostrictivă va conține traductorul de intrare, magneții, conducta audio, traductorul de ieșire și absorbanții. Semnalul de intrare este alimentat la prima bobină, oscilațiile de frecvență ultrasonică încep în canalul de sunet al tijei din material magnetostrictiv - oscilații mecanice - magnetul creează aici o polarizare constantă în zona de conversie și o inducție magnetică inițială.

Ultrasunetele în industria prelucrătoare (tăiere și sudare)

Între sursa de ultrasunete și piesă este plasat un material abraziv (nisip de cuarț, diamant, piatră etc.). Ultrasunetele acționează asupra particulelor abrazive, care la rândul lor lovesc piesa la frecvența ultrasunetelor. Materialul piesei este distrus sub influența unui număr mare de impacturi mici ale granulelor abrazive - așa are loc prelucrarea.

Tăierea este combinată cu mișcarea de avans, vibrațiile longitudinale de tăiere fiind principalele. Precizia prelucrării cu ultrasunete depinde de dimensiunea granulelor abrazivului și atinge 1 micron. În acest fel, se fac necesare tăieri complexe în fabricarea pieselor metalice, șlefuire, gravare și găurire.

Dacă este necesar să sudați metale diferite (sau chiar polimeri) sau să combinați o piesă groasă cu o placă subțire, ultrasunetele vine din nou în ajutor. Acesta este așa-numitul. Sub influența ultrasunetelor în zona de sudare, metalul devine foarte ductil; piesele pot fi rotite foarte ușor în timpul conexiunii în orice unghi. Și de îndată ce opriți ultrasunetele, piesele se vor conecta și se vor fixa instantaneu.

Este de remarcat în special faptul că sudarea are loc la o temperatură sub punctul de topire al pieselor, iar legătura lor are loc practic în stare solidă. Dar oțelul, titanul și chiar molibdenul sunt sudate astfel. Foile subțiri sunt cele mai ușor de sudat. Această metodă de sudare nu necesită pregătirea specială a suprafeței pieselor; aceasta se aplică atât metalelor, cât și polimerilor.

Ultrasunete în metalurgie (detecția defectelor cu ultrasunete)

Detectarea cu ultrasunete a defectelor este una dintre cele mai eficiente metode de control al calității pieselor metalice fără distrugere. În medii omogene, ultrasunetele se propagă direcțional fără atenuare rapidă și se caracterizează prin reflexie la limitele mediilor. Astfel, piesele metalice sunt verificate pentru prezența cavităților și a fisurilor în interiorul lor (interfață aer-metal) și este detectată oboseala crescută a metalului.

Ultrasunetele sunt capabile să pătrundă într-o piesă la o adâncime de 10 metri, iar dimensiunea defectelor detectate este de ordinul a 5 mm. Există: umbră, puls, rezonanță, analiză structurală, vizualizare, - cinci metode de detectare a defectelor cu ultrasunete.

Cea mai simplă metodă este detectarea defectelor cu ultrasunete în umbră; această metodă se bazează pe slăbirea unei unde ultrasonice atunci când întâlnește un defect în timpul trecerii printr-o piesă, deoarece defectul creează o umbră ultrasonică. Funcționează două convertoare: primul emite o undă, al doilea o primește.

Această metodă este insensibilă, un defect este detectat numai dacă influența sa modifică semnalul cu cel puțin 15% și este, de asemenea, imposibil să se determine adâncimea în care se află defectul în piesă. Metoda cu ultrasunete pulsate oferă rezultate mai precise; arată, de asemenea, adâncimea.

Dacă orice corp oscilează într-un mediu elastic mai repede decât mediul are timp să curgă în jurul lui, mișcarea lui fie comprimă, fie rarefiază mediul. Straturile de presiune înaltă și joasă se împrăștie din corpul oscilant în toate direcțiile și formează unde sonore. Dacă vibrațiile corpului care creează valul se succed de nu mai puțin de 16 ori pe secundă, nu mai des de 18 mii de ori pe secundă, atunci urechea umană le aude.

Frecvențele între 16 și 18.000 Hz, pe care aparatul auditiv uman le poate percepe, sunt de obicei numite frecvențe sonore, de exemplu, scârțâitul unui țânțar »10 kHz. Dar aerul, adâncurile mărilor și măruntaiele pământului sunt pline de sunete care se află sub și deasupra acestui interval - infra și ultrasunete. În natură, ultrasunetele se găsesc ca o componentă a multor zgomote naturale: în zgomotul vântului, cascadelor, ploii, pietricele de mare rostogolite de surf și în furtuni. Multe mamifere, cum ar fi pisicile și câinii, au capacitatea de a percepe ultrasunetele cu o frecvență de până la 100 kHz, iar abilitățile de localizare ale liliecilor, insectelor nocturne și animalelor marine sunt bine cunoscute de toată lumea. Existența sunetelor inaudibile a fost descoperită odată cu dezvoltarea acusticii la sfârșitul secolului al XIX-lea. În același timp, au început primele studii ale ultrasunetelor, dar bazele utilizării sale au fost puse abia în prima treime a secolului al XX-lea.

Limita inferioară a domeniului ultrasonic se numește vibrații elastice cu o frecvență de 18 kHz. Limita superioară a ultrasunetelor este determinată de natura undelor elastice, care se pot propaga numai cu condiția ca lungimea de undă să fie semnificativ mai mare decât calea liberă a moleculelor (în gaze) sau distanțe interatomice (în lichide și gaze). În gaze limita superioară este »106 kHz, în lichide și solide »1010 kHz. De regulă, frecvențele de până la 106 kHz se numesc ultrasunete. Frecvențele mai înalte sunt numite în mod obișnuit hipersunete.

Undele ultrasonice prin natura lor nu diferă de undele din domeniul audibil și respectă aceleași legi fizice. Dar ultrasunetele au caracteristici specifice care au determinat utilizarea sa pe scară largă în știință și tehnologie. Iată pe cele principale:

• Lungime de undă scurtă. Pentru cel mai mic interval de ultrasunete, lungimea de undă nu depășește câțiva centimetri în majoritatea mediilor. Lungimea de undă scurtă determină natura razelor de propagare a undelor ultrasonice. În apropierea emițătorului, ultrasunetele se propagă sub formă de fascicule similare ca mărime cu dimensiunea emițătorului. Când atinge neomogenități în mediu, fasciculul ultrasonic se comportă ca un fascicul de lumină, experimentând reflexie, refracție și împrăștiere, ceea ce face posibilă formarea de imagini sonore în medii optic opace folosind efecte pur optice (focalizare, difracție etc.)
• O perioadă scurtă de oscilație, care face posibilă emiterea de ultrasunete sub formă de impulsuri și efectuarea unei selecții precise în timp a semnalelor care se propagă în mediu.
• Posibilitatea de a obține valori mari ale energiei de vibrație la amplitudine mică, deoarece energia de vibrație este proporțională cu pătratul frecvenței. Acest lucru face posibilă crearea de fascicule și câmpuri ultrasonice cu un nivel ridicat de energie, fără a necesita echipamente de dimensiuni mari.
• În câmpul ultrasonic se dezvoltă curenți acustici semnificativi. Prin urmare, impactul ultrasunetelor asupra mediului dă naștere la efecte specifice: fizice, chimice, biologice și medicale. Cum ar fi cavitația, efectul capilar sonic, dispersia, emulsionarea, degazarea, dezinfecția, încălzirea locală și multe altele.
• Ultrasunetele sunt inaudibile și nu creează disconfort personalului operator.

Istoricul ecografiei. Cine a descoperit ultrasunetele?

Atenția la acustică a fost cauzată de nevoile marinelor principalelor puteri - Anglia și Franța, deoarece acustic este singurul tip de semnal care poate călători departe în apă. În 1826 Omul de știință francez Colladon a determinat viteza sunetului în apă. Experimentul lui Colladon este considerat nașterea hidroacusticii moderne. Clopotul subacvatic din Lacul Geneva a fost lovit cu aprinderea simultană a prafului de pușcă. Flashul de la praful de pușcă a fost observat de Colladon la o distanță de 10 mile. De asemenea, a auzit sunetul clopotului folosind un tub auditiv subacvatic. Măsurând intervalul de timp dintre aceste două evenimente, Colladon a calculat viteza sunetului la 1435 m/sec. Diferența cu calculele moderne este de numai 3 m/sec.

În 1838, în SUA, sunetul a fost folosit pentru prima dată pentru a determina profilul fundului mării în scopul așezării unui cablu telegrafic. Sursa sunetului, ca și în experimentul lui Colladon, a fost un clopoțel care suna sub apă, iar receptorul erau tuburi auditive mari, coborâte pe partea laterală a navei. Rezultatele experimentului au fost dezamăgitoare. Sunetul clopotului (ca, într-adevăr, explozia cartuşelor de praf de puşcă în apă) a dat un ecou prea slab, aproape inaudibil printre celelalte sunete ale mării. A fost necesar să mergem în regiunea de frecvențe mai înalte, permițând crearea de fascicule sonore dirijate.

Primul generator de ultrasunete făcută în 1883 de un englez Francis Galton. Ultrasunetele au fost create ca un fluier pe marginea unui cuțit când suflați în el. Rolul unui astfel de vârf în fluierul lui Galton a fost jucat de un cilindru cu margini ascuțite. Aerul sau alt gaz care ieșea sub presiune printr-o duză inelară cu un diametru identic cu marginea cilindrului a trecut pe margine și au avut loc oscilații de înaltă frecvență. Sufland fluierul cu hidrogen, s-au putut obține oscilații de până la 170 kHz.

În 1880 Pierre și Jacques Curie a făcut o descoperire decisivă pentru tehnologia cu ultrasunete. Frații Curie au observat că atunci când s-a aplicat presiune asupra cristalelor de cuarț, a fost generată o sarcină electrică direct proporțională cu forța aplicată cristalului. Acest fenomen a fost numit „piezoelectricitate” din cuvântul grecesc care înseamnă „a apăsa”. Ei au demonstrat, de asemenea, efectul piezoelectric invers, care a avut loc atunci când un potențial electric în schimbare rapidă a fost aplicat cristalului, făcându-l să vibreze. De acum înainte, este posibil din punct de vedere tehnic să se producă emițătoare și receptoare cu ultrasunete de dimensiuni mici.

Moartea Titanicului în urma unei coliziuni cu un aisberg și nevoia de a combate noi arme - submarine - au necesitat dezvoltarea rapidă a hidroacusticii ultrasonice. În 1914, fizician francez Paul Langevinîmpreună cu talentatul om de știință emigrant rus Konstantin Vasilyevich Shilovsky, au dezvoltat pentru prima dată un sonar format dintr-un emițător de ultrasunete și un hidrofon - un receptor de vibrații ultrasonice, bazat pe efectul piezoelectric. Sonar Langevin - Shilovsky, a fost primul dispozitiv cu ultrasunete, folosit în practică. În același timp, omul de știință rus S.Ya. Sokolov a dezvoltat bazele detectării defectelor cu ultrasunete în industrie. În 1937, psihiatrul german Karl Dussick, împreună cu fratele său Friedrich, fizician, au folosit pentru prima dată ultrasunetele pentru a detecta tumorile cerebrale, dar rezultatele pe care le-au obținut s-au dovedit a fi nesigure. În practica medicală, ultrasunetele au început să fie folosite pentru prima dată abia în anii 50 ai secolului al XX-lea în SUA.

Primirea ultrasunetelor.

Emițătorii de ultrasunete pot fi împărțiți în două grupuri mari:

1) Oscilațiile sunt excitate de obstacole în calea unui curent de gaz sau lichid sau de întreruperea unui curent de gaz sau lichid. Sunt utilizate într-o măsură limitată, în principal pentru a obține ultrasunete puternice într-un mediu gazos.

2) Oscilațiile sunt excitate prin transformare în oscilații mecanice de curent sau tensiune. Majoritatea dispozitivelor cu ultrasunete folosesc emițători din acest grup: traductoare piezoelectrice și magnetostrictive.

Pe lângă traductoarele bazate pe efectul piezoelectric, traductoarele magnetostrictive sunt utilizate pentru a produce un fascicul ultrasonic puternic. Magnetostricția este o modificare a dimensiunii corpurilor atunci când starea lor magnetică se schimbă. Un miez de material magnetostrictiv plasat într-o înfășurare conductivă își schimbă lungimea în funcție de forma semnalului de curent care trece prin înfășurare. Acest fenomen, descoperit în 1842 de James Joule, este caracteristic feromagneților și feritelor. Cele mai utilizate materiale magnetostrictive sunt aliajele pe bază de nichel, cobalt, fier și aluminiu. Cea mai mare intensitate a radiațiilor ultrasonice poate fi atinsă de aliajul permendur (49% Co, 2% V, restul Fe), care este utilizat în emițători ultrasonici puternici. În special, cele produse de compania noastră.

Aplicarea ultrasunetelor.

Diversele aplicații ale ultrasunetelor pot fi împărțite în trei domenii:

• obținerea de informații despre o substanță
• efect asupra substanței
• procesarea si transmisia semnalului

Dependența vitezei de propagare și atenuare a undelor acustice de proprietățile materiei și de procesele care au loc în acestea este utilizată în următoarele studii:

• studiul proceselor moleculare în gaze, lichide și polimeri
• studiul structurii cristalelor și a altor solide
• controlul reacțiilor chimice, tranzițiilor de fază, polimerizării etc.
• determinarea concentrației soluției
• determinarea caracteristicilor de rezistență și a compoziției materialelor
• determinarea prezenței impurităților
• determinarea debitului de lichid și gaz

Informațiile despre structura moleculară a unei substanțe sunt furnizate prin măsurarea vitezei și a coeficientului de absorbție a sunetului în ea. Acest lucru vă permite să măsurați concentrația de soluții și suspensii în paste și lichide, să monitorizați progresul extracției, polimerizării, îmbătrânirii și cinetica reacțiilor chimice. Precizia determinării compoziției substanțelor și a prezenței impurităților cu ajutorul ultrasunetelor este foarte mare și se ridică la o fracțiune de procent.

Măsurarea vitezei sunetului în solide face posibilă determinarea caracteristicilor elastice și de rezistență ale materialelor structurale. Această metodă indirectă de determinare a rezistenței este convenabilă datorită simplității și posibilității de utilizare în condiții reale.

Analizoarele cu ultrasunete de gaz monitorizează acumularea de impurități periculoase. Dependența vitezei ultrasonice de temperatură este utilizată pentru termometria fără contact a gazelor și lichidelor.

Debitmetrele cu ultrasunete care funcționează pe efect Doppler se bazează pe măsurarea vitezei sunetului în lichide și gaze în mișcare, inclusiv în cele neomogene (emulsii, suspensii, paste). Echipamente similare sunt utilizate pentru a determina viteza și debitul de sânge în studiile clinice.

Un grup mare de metode de măsurare se bazează pe reflectarea și împrăștierea undelor ultrasunete la granițele dintre medii. Aceste metode vă permit să determinați cu exactitate locația corpurilor străine în mediu și sunt utilizate în astfel de zone precum:

• sonar
• testare nedistructivă și detectarea defectelor
• diagnostice medicale
• determinarea nivelurilor de lichide si solide in recipiente inchise
• determinarea dimensiunilor produselor
• vizualizarea câmpurilor sonore - viziunea sonoră și holografia acustică

Reflexia, refracția și capacitatea de a focaliza ultrasunetele sunt utilizate în detectarea defectelor cu ultrasunete, în microscoapele acustice cu ultrasunete, în diagnosticarea medicală și pentru a studia macro-neomogenitățile unei substanțe. Prezența neomogenităților și coordonatele acestora sunt determinate de semnale reflectate sau de structura umbrei.

Metodele de măsurare bazate pe dependența parametrilor unui sistem oscilant rezonant de proprietățile mediului care îl încarcă (impedanța) sunt utilizate pentru măsurarea continuă a vâscozității și densității lichidelor, precum și pentru măsurarea grosimii pieselor care pot fi doar accesate. dintr-o parte. Același principiu stă la baza testerelor de duritate cu ultrasunete, a manometrelor și a comutatoarelor de nivel. Avantajele metodelor de testare cu ultrasunete: timp scurt de măsurare, capacitatea de a controla medii explozive, agresive și toxice, niciun impact al instrumentului asupra mediului și proceselor controlate.

Efectul ultrasunetelor asupra unei substanțe.

Efectul ultrasunetelor asupra unei substanțe, care duce la modificări ireversibile ale acesteia, este utilizat pe scară largă în industrie. În același timp, mecanismele de acțiune ale ultrasunetelor sunt diferite pentru diferite medii. În gaze, principalul factor de funcționare sunt curenții acustici, care accelerează procesele de transfer de căldură și masă. Mai mult, eficiența amestecării cu ultrasunete este semnificativ mai mare decât amestecarea hidrodinamică convențională, deoarece stratul limită are o grosime mai mică și, ca urmare, un gradient de temperatură sau de concentrație mai mare. Acest efect este utilizat în procese precum:

• uscare cu ultrasunete
• ardere în câmp ultrasonic
• coagularea aerosolilor

În procesarea cu ultrasunete a lichidelor, principalul factor de operare este cavitație . Următoarele procese tehnologice se bazează pe efectul de cavitație:

• curatare cu ultrasunete
• metalizare și lipire
• efect sonor-capilar - pătrunderea lichidelor în cei mai mici pori și fisuri. Este utilizat pentru impregnarea materialelor poroase și apare în timpul oricărei prelucrări ultrasonice a solidelor în lichide.
• cristalizare
• intensificarea proceselor electrochimice
• obţinerea de aerosoli
• distrugerea microorganismelor și sterilizarea cu ultrasunete a instrumentelor

Curenți acustici- unul dintre principalele mecanisme ale efectului ultrasunetelor asupra materiei. Este cauzată de absorbția energiei ultrasonice în substanță și în stratul limită. Fluxurile acustice diferă de curgerile hidrodinamice prin grosimea mică a stratului limită și posibilitatea subțierii acestuia cu creșterea frecvenței de oscilație. Aceasta duce la o scădere a grosimii stratului limită de temperatură sau concentrație și o creștere a gradienților de temperatură sau de concentrație care determină viteza de transfer de căldură sau de masă. Acest lucru ajută la accelerarea proceselor de ardere, uscare, amestecare, distilare, difuzie, extracție, impregnare, sorbție, cristalizare, dizolvare, degazare a lichidelor și topiturii. Într-un flux de mare energie, influența undei acustice se realizează datorită energiei curgerii în sine, prin modificarea turbulenței acestuia. În acest caz, energia acustică poate fi doar o fracțiune dintr-un procent din energia curgerii.

Când o undă sonoră de mare intensitate trece printr-un lichid, așa-numitul cavitație acustică . Într-o undă sonoră intensă, în timpul semiperioadelor de rarefacție, apar bule de cavitație, care se prăbușesc brusc atunci când se deplasează într-o zonă de înaltă presiune. În regiunea cavitației apar perturbări hidrodinamice puternice sub formă de unde de microșoc și microfluxuri. În plus, prăbușirea bulelor este însoțită de încălzirea locală puternică a substanței și eliberarea de gaz. O astfel de expunere duce la distrugerea chiar și a unor substanțe durabile precum oțelul și cuarțul. Acest efect este folosit pentru a dispersa solidele, produce emulsii fine de lichide nemiscibile, excita și accelera reacțiile chimice, distruge microorganismele și extrage enzimele din celulele animale și vegetale. Cavitația determină, de asemenea, efecte precum o strălucire slabă a unui lichid sub influența ultrasunetelor - sonoluminescență și pătrunderea anormal de adâncă a lichidului în capilare - efect sonocapilar .

Dispersia prin cavitație a cristalelor de carbonat de calciu (scara) este baza dispozitivelor acustice anticalcar. Sub influența ultrasunetelor, particulele din apă se divid, dimensiunile lor medii scad de la 10 la 1 micron, numărul lor și suprafața totală a particulelor cresc. Acest lucru duce la transferul procesului de formare a calcarului de la suprafața de schimb de căldură direct în lichid. Ultrasunetele afectează, de asemenea, stratul format de sol, formând microfisuri în el care contribuie la desprinderea bucăților de sol de pe suprafața de schimb de căldură.

În instalațiile de curățare cu ultrasunete, cu ajutorul cavitației și a microfluxurilor pe care le generează, se îndepărtează atât contaminanții legați tare la suprafață, cum ar fi depunerile, depunerile, bavurile, cât și contaminanții moi, precum peliculele grase, murdăria etc. Același efect este folosit pentru a intensifica procesele electrolitice.

Sub influența ultrasunetelor, apare un astfel de efect curios ca coagularea acustică, adică. convergența și mărirea particulelor în suspensie în lichid și gaz. Mecanismul fizic al acestui fenomen nu este încă complet clar. Coagularea acustică este utilizată pentru depunerea prafului industrial, fumului și ceață la frecvențe joase pentru ultrasunete, până la 20 kHz. Este posibil ca efectele benefice ale sunetului clopotelor bisericii să se bazeze pe acest efect.

Prelucrarea mecanică a solidelor cu ultrasunete se bazează pe următoarele efecte:

• reducerea frecării dintre suprafețe în timpul vibrațiilor ultrasonice ale uneia dintre ele
• scăderea limitei de curgere sau deformarea plastică sub influența ultrasunetelor
• întărirea și reducerea tensiunilor reziduale în metale sub impactul unei scule cu frecvență ultrasonică
• Efectele combinate ale compresiei statice și ale vibrațiilor ultrasonice sunt utilizate în sudarea cu ultrasunete

Există patru tipuri de prelucrare cu ultrasunete:

• prelucrarea dimensională a pieselor din materiale dure și casante
• tăierea materialelor greu de tăiat cu aplicarea ultrasonică pe unealta de tăiere
• debavurarea într-o baie cu ultrasunete
• șlefuirea materialelor vâscoase cu curățarea cu ultrasunete a discului abraziv

Efectele ultrasunetelor asupra obiectelor biologice provoacă o varietate de efecte și reacții în țesuturile corpului, care este utilizat pe scară largă în terapia cu ultrasunete și chirurgie. Ultrasunetele este un catalizator care accelereaza stabilirea unui echilibru, din punct de vedere fiziologic, starea organismului, i.e. stare sănătoasă. Ecografia are un efect mult mai mare asupra țesuturilor bolnave decât asupra celor sănătoase. Se folosește și pulverizarea cu ultrasunete a medicamentelor pentru inhalare. Chirurgia cu ultrasunete se bazează pe următoarele efecte: distrugerea țesuturilor prin ultrasunete focalizate propriu-zise și aplicarea vibrațiilor ultrasonice la un instrument chirurgical de tăiere.

Dispozitivele cu ultrasunete sunt folosite pentru conversia și procesarea analogică a semnalelor electronice și pentru controlul semnalelor luminoase în optică și optoelectronică. Ultrasunetele de mică viteză sunt utilizate în liniile de întârziere. Controlul semnalelor optice se bazează pe difracția luminii prin ultrasunete. Unul dintre tipurile de astfel de difracție, așa-numita difracție Bragg, depinde de lungimea de undă a ultrasunetelor, ceea ce face posibilă izolarea unui interval de frecvență îngust dintr-un spectru larg de radiații luminoase, adică. lumina filtrului.

Ultrasunetele este un lucru extrem de interesant și se poate presupune că multe dintre aplicațiile sale practice sunt încă necunoscute omenirii. Iubim și cunoaștem ultrasunetele și vom fi bucuroși să discutăm despre orice idee legată de aplicarea acesteia.

Unde se utilizează ultrasunetele - tabel rezumativ

Compania noastră, Koltso-Energo LLC, este angajată în producția și instalarea de dispozitive acustice anticalcar „Acoustic-T”. Dispozitivele produse de compania noastra se disting printr-un nivel exceptional de ridicat al semnalului ultrasonic, care le permite sa lucreze la cazane fara tratare a apei si la cazane abur-apa cu apa arteziana. Dar prevenirea depunerilor este o parte foarte mică din ceea ce poate face ultrasunetele. Acest instrument natural uimitor are posibilități enorme și vrem să vă spunem despre ele. Angajații companiei noastre au lucrat de mulți ani la întreprinderile rusești de top implicate în acustică. Știm multe despre ecografie. Și dacă brusc apare nevoia de a utiliza ultrasunetele în tehnologia dvs.,