Мощность ультразвука что это

УЛЬТРАЗВУ́К

УЛЬТРАЗВУ́К, аку­сти­че­ские вол­ны с час­то­та­ми от 2·10 4 Гц до 10 9 Гц. Вы­де­ля­ют У. низ­ких (2·10 4 –10 5 Гц), сред­них (10 5 – 10 7 Гц) и вы­со­ких (10 7 –10 9 Гц) час­тот. Ка­ж­дый из этих диа­па­зо­нов ха­рак­те­ри­зу­ет­ся спе­ци­фич. осо­бен­но­стя­ми ге­не­ра­ции, приё­ма, рас­про­стра­не­ния и при­ме­не­ния.

Свойства и особенности распространения

По фи­зич. при­ро­де У. пред­став­ля­ет со­бой уп­ру­гие вол­ны, и в этом он не от­ли­ча­ет­ся от зву­ка, по­это­му час­тот­ная гра­ни­ца ме­ж­ду зву­ко­вы­ми и УЗ-вол­на­ми ус­лов­на. Од­на­ко бла­го­да­ря бо­лее вы­со­ким час­то­там и, сле­до­ва­тель­но, ма­лым дли­нам волн (так, дли­ны волн У. вы­со­ких час­тот в воз­ду­хе со­став­ля­ют 3,4·10 –3 –3,4·10 –7 м, в во­де 1,5·10 –4 – 1,5·10 –6 м, в ста­ли 5·10 –4 –5·10 –6 м) име­ет ме­сто ряд осо­бен­но­стей рас­про­стра­не­ния ульт­ра­зву­ка.

Вви­ду ма­лой дли­ны вол­ны У. ха­рак­тер его рас­про­стра­не­ния оп­ре­де­ля­ет­ся в пер­вую оче­редь мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­рой сре­ды, по­это­му, из­ме­ряя ско­рость и ко­эф. за­ту­ха­ния У., мож­но су­дить о мо­ле­ку­ляр­ных свой­ст­вах ве­ще­ст­ва (см. Мо­ле­ку­ляр­ная аку­сти­ка). Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность рас­про­стра­не­ния У. в мно­го­атом­ных га­зах и во мно­гих жид­ко­стях – су­ще­ст­во­ва­ние об­лас­тей дис­пер­сии зву­ка, со­про­во­ж­даю­щей­ся силь­ным воз­рас­та­ни­ем его по­гло­ще­ния. У. в га­зах, и в ча­ст­но­сти в воз­ду­хе, рас­про­стра­ня­ет­ся с боль­шим за­ту­ха­ни­ем. Жид­ко­сти и твёр­дые те­ла (осо­бен­но мо­но­кри­стал­лы) пред­став­ля­ют со­бой, как пра­ви­ло, хо­ро­шие про­вод­ни­ки У., за­ту­ха­ние в них зна­чи­тель­но мень­ше. По­это­му об­лас­ти ис­поль­зо­ва­ния У. сред­них и вы­со­ких час­тот от­но­сят­ся поч­ти ис­клю­чи­тель­но к жид­ко­стям и твёр­дым те­лам, а в воз­ду­хе и га­зах при­ме­ня­ют толь­ко У. низ­ких час­тот.

Др. осо­бен­ность У. – воз­мож­ность по­лу­че­ния боль­шой ин­тен­сив­но­сти да­же при срав­ни­тель­но не­боль­ших ам­пли­ту­дах ко­ле­ба­ний, т. к. при дан­ной ам­пли­ту­де плот­ность по­то­ка энер­гии про­пор­цио­наль­на квад­ра­ту час­то­ты. УЗ-вол­ны боль­шой ин­тен­сив­но­сти со­про­во­ж­да­ют­ся ря­дом не­ли­ней­ных эф­фек­тов. Так, для ин­тен­сив­ных пло­ских УЗ-волн при ма­лом по­гло­ще­нии сре­ды си­ну­сои­даль­ная у из­лу­ча­те­ля вол­на пре­вра­ща­ет­ся по ме­ре рас­про­стра­не­ния в сла­бую пе­рио­дич. удар­ную вол­ну; по­гло­ще­ние та­ких волн ока­зы­ва­ет­ся зна­чи­тель­но боль­ше, чем волн ма­лой ам­пли­ту­ды. Рас­про­стра­не­нию УЗ-волн в га­зах и жид­ко­стях со­пут­ст­ву­ет дви­же­ние сре­ды (аку­сти­че­ское те­че­ние). К чис­лу важ­ных не­ли­ней­ных яв­ле­ний, воз­ни­каю­щих при рас­про­стра­не­нии ин­тен­сив­но­го У. в жид­ко­стях, от­но­сит­ся ка­ви­та­ция аку­сти­че­ская.

Генерация и приём

Для из­лу­че­ния У. ис­поль­зу­ют ме­ха­нич. и элек­тро­ме­ха­нич. уст­рой­ст­ва. Ме­ха­нич. из­лу­ча­те­ли У. (возд. и жид­ко­ст­ные сви­ст­ки и си­ре­ны) от­ли­ча­ют­ся про­сто­той уст­рой­ст­ва и экс­плуа­та­ции, не тре­бу­ют элек­трич. энер­гии вы­со­кой час­то­ты. Они при­ме­ня­ют­ся гл. обр. в пром. УЗ-тех­но­ло­гии и как сред­ст­ва сиг­на­ли­за­ции.

Элек­тро­ме­ха­нич. из­лу­ча­те­ли У. пре­об­ра­зу­ют элек­трич. ко­ле­ба­ния в ме­ха­ни­че­ские. В диа­па­зо­не У. низ­ких час­тот воз­мож­но ис­поль­зо­ва­ние элек­тро­ди­на­мич. и элек­тро­ста­тич. из­лу­ча­те­лей. В этом диа­па­зо­не час­тот ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли. Для из­лу­че­ния У. сред­них и вы­со­ких час­тот слу­жат гл. обр. пье­зо­элек­три­че­ские пре­об­ра­зо­ва­те­ли. Для уве­ли­че­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний и из­лу­чае­мой в сре­ду мощ­но­сти, как пра­ви­ло, при­ме­ня­ют­ся ре­зо­нанс­ные ко­ле­ба­ния маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ных и пье­зо­элек­трич. эле­мен­тов на их собств. час­то­те. Для уве­ли­че­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний твёр­дых тел в диа­па­зо­не У. низ­ких час­тот ис­поль­зу­ют стерж­не­вые УЗ-кон­цен­тра­то­ры (см. Кон­цен­тра­тор аку­сти­че­ский).

Маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ные и пье­зо­элек­трич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли при­ме­ня­ют­ся и для приё­ма У. Для изу­че­ния УЗ-по­ля ис­поль­зу­ют­ся оп­тич. ме­то­ды (см. Аку­с­то­оп­ти­ка, Ви­зуа­ли­за­ция зву­ко­во­го по­ля, Ди­фрак­ция све­та на ульт­ра­зву­ке).

Применение

УЗ-ме­то­ды ис­поль­зу­ют­ся в фи­зи­ке твёр­до­го те­ла, в ча­ст­но­сти в фи­зи­ке по­лу­про­вод­ни­ков. У. иг­ра­ет боль­шую роль в изу­че­нии струк­ту­ры ве­ще­ст­ва. На­ря­ду с ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­ной аку­сти­ки для жид­ко­стей и га­зов, из­ме­ре­ние ско­ро­сти и ко­эф. по­гло­ще­ния У. ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния мо­ду­лей уп­ру­го­сти и дис­си­па­тив­ных ха­рак­те­ри­стик твёр­дых тел.

У. ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в тех­ни­ке. По дан­ным из­ме­ре­ний ско­ро­сти и ко­эф. по­гло­ще­ния У. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся кон­троль за про­те­ка­ни­ем тех­но­ло­гич. про­цес­сов. У. срав­ни­тель­но ма­лой ин­тен­сив­но­сти при­ме­ня­ет­ся для не­раз­ру­шаю­ще­го кон­тро­ля из­де­лий из твёр­дых ма­те­риа­лов. При по­мо­щи У. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся зву­ко­ви­де­ние. Для по­лу­че­ния уве­ли­чен­ных изо­бра­же­ний пред­ме­та с по­мо­щью У. вы­со­кой час­то­ты соз­дан аку­стич. мик­ро­скоп (см. Мик­ро­ско­пия аку­сти­че­ская). Важ­ную роль У. иг­ра­ет в гид­ро­аку­сти­ке. На прин­ци­пе от­ра­же­ния УЗ-им­пуль­сов от пре­пят­ст­вий, воз­ни­каю­щих на пу­ти их рас­про­стра­не­ния, ос­но­ва­на ра­бо­та эхо­ло­та, гид­ро­ло­ка­то­ра и др.

У. боль­шой ин­тен­сив­но­сти (гл. обр. диа­па­зон низ­ких час­тот) ока­зы­ва­ет воз­дей­ст­вие на про­те­ка­ние тех­но­ло­гич. про­цес­сов. Так, при по­мо­щи мощ­но­го У. ус­ко­ря­ет­ся ряд про­цес­сов те­п­ло- и мас­со­об­ме­на в ме­тал­лур­гии. Воз­дей­ст­вие УЗ-ко­ле­ба­ний не­по­сред­ст­вен­но на рас­пла­вы по­зво­ля­ет по­лу­чить бо­лее мел­ко­кри­стал­лич. и од­но­род­ную струк­ту­ру ме­тал­ла. УЗ-ка­ви­та­ция ис­поль­зу­ет­ся для очи­ст­ки от за­гряз­не­ний мел­ких и круп­ных про­из­водств. де­та­лей.

При дей­ст­вии У. на био­ло­гич. объ­ек­ты про­ис­хо­дит по­гло­ще­ние и пре­об­ра­зо­ва­ние аку­стич. энер­гии в те­п­ло­вую. Ло­каль­ный на­грев тка­ней на до­ли и еди­ни­цы гра­ду­сов, как пра­ви­ло, спо­соб­ст­ву­ет жиз­не­дея­тель­но­сти био­ло­гич. объ­ек­тов, по­вы­шая ин­тен­сив­ность про­цес­сов об­ме­на ве­ществ. В ме­ди­ци­не У. ис­поль­зу­ет­ся для ди­аг­но­сти­ки, те­ра­пев­тич. и хи­рур­гич. ле­че­ния (см. Ульт­ра­зву­ко­вая диа­гно­сти­ка, Ульт­ра­зву­ко­вая те­ра­пия). О при­ме­не­нии У. в хи­мии см. в ст. Со­но­хи­мия.

У. спо­соб­ны вос­при­ни­мать и ге­не­ри­ро­вать не­ко­то­рые ви­ды жи­вот­ных (ле­ту­чие мы­ши, дель­фи­ны, не­ко­то­рые ви­ды птиц и на­се­ко­мых и др.).

Источник

Мощность ультразвука что это

Именно эта частота и указывается в характеристике датчика. Для двухмерной визуализации используются короткие широкополосные сигналы, а для допплеровских исследований длинные узкополосные.

Вследствие зависимого от частоты затухания колебаний по мере увеличения глубины проникновения ультразвука высокочастотные составляющие импульсного сигнала затухают сильнее, чем низкочастотные. В результате на глубине основная частота излучения смещается в сторону низких частот. Центральная частота излучения в 3,5 МГц на глубине 12 см изменяется до 2,8 МГц (Осипов Л.В., 1999). Этот факт учитывается сканером путем подстройки частоты приемника эхосигналов в зависимости от глубины.

Длина волны связана со скоростью распространения ультразвука в среде (С) и частотой (f) или периодом колебания ультразвука (Т) следующей зависимостью: h = СТ = С/f.

Отсюда следует, что с увеличением частоты ультразвуковых колебаний длина волны должна снижаться и наоборот. Так, длина волны, генерируемая датчиком с частотой 3,5 МГц, составляет 0,44 мм, а с частотой 10 МГц- 0,15 мм (Осипов Л.В., 1999). Это имеет непосредственное значение для обеспечения хорошего разрешения мелких структур. Понятно, что разрешающая способность датчика с частотой 10 МГц больше, чем датчика с частотой 3,5 МГц. Фактически длина волны предопределяет физический предел разрешающей способности ультразвуковой системы.

Амплитуда колебаний ультразвуковой волны (А) характеризует максимальное отклонение колебаний от положения равновесия. Этот показатель отражает энергию или мощность ультразвука. Количество энергии, проходящей через определенную область в единицу времени, обозначается как интенсивность ультразвука (И): И = мощность (Вт)/область (м2).

Интенсивность диагностического ультразвука ограничивается таким образом, чтобы обеспечить максимальную информативность исследования при минимизации его повреждающего воздействия.

Скорость распространения ультразвука (С) в идеальной среде прямо пропорциональна длине волны и частоте излучаемого ультразвука. Однако в биологических тканях, в диапазоне частот и длин волн диагностического ультразвука (как правило, 2-10 МГц), основное влияние на скорость распространения ультразвука оказывают свойства самой среды.

Именно эта величина заложена в ультразвуковых сканерах для расчета глубины отражения ультразвуковых волн по времени задержки между их излучением и приемом.

Скорость распространения ультразвука в тканях зависит от их строения, химического состава, вязкости, плотности, температуры и т.д. Естественно, что она различна в нормальных и патологически измененных тканях и у пациентов разного возраста. В настоящее время сканеры не измеряют скорость распространения ультразвука в тканях обследуемых пациентов. В перспективе измерение скорости может существенно увеличить ценность получаемой диагностической информации за счет учета отклонений скорости в патологически измененных тканях.

— Вернуться в оглавление раздела «Кардиология.»

Источник

Ультразвук. Применение и работа. Свойства и развитие. Особенности

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

• Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
• Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
• При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
• Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
• Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

• Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
• Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
• Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
• При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

• Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
• Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

• Получение данных о конкретном веществе.
• Обработка и передача сигналов.
• Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

• Молекулярные процессы в различных структурах.
• Определение концентрации веществ в растворах.
• Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

• Металлизация.
• Ультразвуковая очистка.
• Дегазация жидкостей.
• Диспергирование.
• Получение аэрозолей.
• Ультразвуковая стерилизация.
• Уничтожения микроорганизмов.
• Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

• Коагуляция.
• Горение в ультразвуковой среде.
• Сушка.
• Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

• Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
• Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
• Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвук может действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

• Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
• Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
• Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвук широко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

• В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
• Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
• При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
• Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
• Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

Источник