Что такое ультразвук и чем он полезен

     Что такое ультразвук и чем он полезен

     Если  какое-либо тело колеблется в упругой  среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, то своим движением  оно то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются во все стороны от колеблющегося тела и образуют звуковую волну. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 20 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их. 

     Частоты 16 Гц- 20 кГц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято  называть звуковыми или акустическими, например писк комара  »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими вне этого диапазона – инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов, в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука, частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики только  в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования УЗ, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

     Ультразвуковые  волны (неслышимый звук) по своей природе  не отличаются от волн слышимого диапазона  и подчиняются тем же физическим законам. Но 

у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

¨ Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн.  Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков, по размеру близких  к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет в оптически непрозрачных средах формировать звуковые изображения, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)

¨Малый  период колебаний, что позволяет  излучать ультразвук в виде импульсов  и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

¨ Возможность получения высоких значений интенсивности колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

¨ В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения, поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические физические, химические, биологические и медицинские эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.  

История ультразвука

     Внимание  к акустике было вызвано потребностями  морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид  сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.        

В 1838 году, в США, звук впервые применили  для определения профиля морского дна . Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными – звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря.  Надо было уходить в  область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.               

Первый  генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под  давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания.  Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.  

     В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали  решающее для ультразвуковой техники  открытие. Братья Кюри заметили, что  при оказании давления на кристаллы  кварца генерируется электрический  заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление  было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

     Гибель  «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым  оружием - подводными лодками требовали  быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским  учёным, жившим в Швейцарии -  Константином Шиловским  впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена – Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-Упсихиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США. 

Получение ультразвука

Излучатели  ультразвука можно разделить  на две большие группы.

1)     Колебания возбуждаются или препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются  ограниченно, в основном используются для получения мощного УЗ в газовой среде.

2)     Колебания возбуждаются преобразованием в механические заданных колебаний тока или напряжения.  В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические  и магнитострикционные преобразователи.

     Кроме пьезоэлектрических, для получения мощного ультразвукового пучка используются также   магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция - это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния.  Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшая интенсивность излучения у сплава перминдюр (49%Co, 2%V, остальноеFe), который используется для мощных излучателей, в частности в АПУ «Акустик-Т».

     Ультразвук представляет собой механические колебания упругой среды, имеющие одинаковую со звуком физическую природу, но отличающие более высокой частотой, превышающей принятую верхнюю границу слышимости (свыше 20 кГц).

     Благодаря многим полезным и уникальным свойствам ультразвук получил широкое применение на производстве, в медицине, в других отраслях деятельности. Поглощение ультразвука сопровождается  нагреванием  среды.

     Особенностью  ультразвука является такое его свойство, которое позволяет создать на относительно небольшой площади очень большое ультразвуковое давление. Это свойство ультразвука обусловило его широкое применение для очистки деталей, механической обработки твердых материалов, жидких расплавов, сварки, пайки, ускорения химических реакций, дефектоскопии, проверки размеров выпускаемых изделий, структурного анализа веществ, гидролокации, а также в установках и системах очистки газов и др.

     Специфической особенностью ультразвука, обусловленной  большой частотой и малой длиной волны, является возможность распространения ультразвуковых колебаний направленными пучками, получившие название ультразвуковых лучей.

     С помощью ультразвука получают устойчивые эмульсии, удаляют окалину и жировые загрязнения с деталей сложной конфигурации. Под действием ультразвука мельчайшие частицы, образующие аэрозоль, сближаются друг с другом, слипаются в более тяжелые (коагулируют) и быстро осаждаются. Это свойство ультразвука используется в установках по очистке воздуха от высокодисперсной пыли.  Широкое применение ультразвук нашел и в медицине для лечения заболеваний позвоночника, суставов, периферической нервной системы и т.п.

     Следует также отметить, что воздействие малых доз ультразвука на человека дает стимулирующий эффект (микромассаж, ускорение обменных процессов), а больших доз – поражающий эффект.

     При длительной работе с низкочастотными ультразвуковыми установками, генерирующими шум и ультразвук, превышающие установленные предельно допустимые уровни, могут произойти функциональные изменения центральной и периферической нервной системы, нарушения в работе слухового и вестибулярного аппарата, сердечно-сосудистой системы (утомление, головные боли, бессонница ночью и сонливость днем, повышенная чувствительность к звукам, раздражительность, понижение кровяного давления, снижение остроты служа и т.п.).

     Ультразвук может действовать на человека через воздушную среду и контактно через жидкую и твердую среду.

По сравнению  с высокочастотным шумом ультразвук значительно слабее влияет на слуховую функцию, но вызывает более выраженные отклонения от нормы вестибулярной функции, болевой чувствительности и терморегуляции. То, что ультразвук воздействует на разные органы и системы человека не только через слуховой аппарат, подтверждается неблагоприятным его действием на глухонемых.

     Степень выраженности изменений в организме  человека зависит от интенсивности  и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре излучения высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха.

     Наиболее  опасным является контактное воздействие ультразвука, которое возникает при удержании ультразвукового инструмента во время пайки, лужения и т.п., при загрузке изделий в ультразвуковые ванны и т.п. Воздействие от работы мощных установок может привести к поражению периферической нервной и сосудистой систем человека в местах контакта (вегетативные полиневриты, мышечная слабость пальцев, кистей и предплечья).

     Ультразвук, также как и звук, характеризуется ультразвуковым давлением (измеряется в дБ), интенсивностью (измеряется в Вт/см²) и частотой колебаний (Гц).

     Ультразвук подразделяется на:

низкочастотный (от 1,12·10⁴ до 1,0·10⁵ Гц), распространяющиеся воздушным и контактным путем;

высокочастотный (от 1,0·10⁵ до 1,0·10⁹ Гц), распространяющийся только контактным путем.

     При распространении в различных  средах ультразвуковые волны поглощаются, причем тем больше, чем выше их частота. Поглощение ультразвука сопровождается нагреванием среды.

     Низкочастотный  ультразвук довольно хорошо распространяется в воздухе, а высокочастотный  – практически не распространяется. В упругих средах (вода, металл и  др.) ультразвук мало поглощается и  способен распространятся на большие  расстояния, практически не теряя  энергии.  

     Промышленные  ультразвуковые установки работают в основном с частотами от (18-30) кГц при интенсивности (60–70) кВт/м². Они состоят из генератора электрических импульсов и преобразователя, который трансформирует импульсы в ультразвуковые колебания. При обслуживании этих установок работающие могут подвергаться воздействию ультразвука, во-первых, при его распространении в воздухе (чаще всего вместе с шумом) и, во-вторых, при непосредственном соприкосновением с жидкими и твердыми телами, по которым распространяется ультразвук (контактное воздействие).

     Средства  защиты от ультразвука также подразделяются на средства коллективной и индивидуальной защиты.

     Профилактические  мероприятия при обслуживании ультразвукового технологического оборудования должны быть направлены на ограничение воздействия шума и ультразвуковых колебаний, распространяющихся в воздухе. Поскольку низкочастотные ультразвуки и высокочастотные звуки имеют одни и те же свойства, а закономерности их распространения очень близки, то и мероприятия по защите от них совпадают: