Secolul 21 este secolul electronicii radio, al atomului, al explorării spațiului și al ultrasunetelor. Știința ultrasunetelor este relativ tânără astăzi. La sfârșitul secolului al XIX-lea, P. N. Lebedev, un fiziolog rus, și-a efectuat primele studii. După aceea, mulți oameni de știință eminenti au început să studieze ultrasunetele.
Ce este ultrasunetele?
Ecografia este o mișcare oscilativă ondulată care se propagă pe care o produc particulele mediului. Are propriile sale caracteristici, în care diferă de sunetele din gama audibilă. Este relativ ușor să obțineți radiații direcționate în domeniul ultrasonic. În plus, se concentrează bine, iar drept urmare intensitatea oscilațiilor efectuate crește. La propagarea în solide, lichide și gaze, ultrasunetele dă naștere unor fenomene interesante care și-au găsit aplicație practică în multe domenii ale tehnologiei și științei. Iată ce este ultrasunetele, al căror rol în diverse sfere ale vieții astăzi este foarte mare.
Rolul ultrasunetelor în știință și practică
Ultrasunetele au început să joace în ultimii ani în cercetarea științificăun rol din ce în ce mai important. Au fost realizate cu succes studii experimentale și teoretice în domeniul fluxurilor acustice și al cavitației ultrasonice, ceea ce a permis oamenilor de știință să dezvolte procese tehnologice care apar atunci când sunt expuse la ultrasunete în fază lichidă. Este o metodă puternică pentru studierea diferitelor fenomene într-un astfel de domeniu al cunoașterii precum fizica. Ultrasunetele sunt utilizate, de exemplu, în fizica semiconductoarelor și a stării solide. Astăzi se formează o ramură separată a chimiei, numită „chimie cu ultrasunete”. Aplicarea sa permite accelerarea multor procese chimico-tehnologice. A luat naștere și acustica moleculară - o nouă ramură a acusticii care studiază interacțiunea moleculară a undelor sonore cu materia. Au apărut noi domenii de aplicare a ultrasunetelor: holografia, introscopie, acustoelectronica, măsurarea fazei ultrasonice, acustica cuantică.
Pe lângă lucrările experimentale și teoretice în acest domeniu, astăzi s-au făcut multe lucrări practice. Au fost dezvoltate mașini cu ultrasunete speciale și universale, instalații care funcționează la presiune statică crescută etc.. Au fost introduse în producție instalații automate cu ultrasunete incluse în liniile de producție, care pot crește semnificativ productivitatea muncii.
Mai multe despre ecografie
Să vorbim mai multe despre ce este ultrasunetele. Am spus deja că acestea sunt unde elastice și oscilații. Frecvența ultrasunetelor este mai mare de 15-20 kHz. Proprietățile subiective ale auzului nostru determină limita inferioară a frecvențelor ultrasonice, careo separă de frecvența sunetului audibil. Prin urmare, această limită este condiționată și fiecare dintre noi definește în mod diferit ce este ultrasunetele. Limita superioară este indicată de unde elastice, natura lor fizică. Ele se propagă numai într-un mediu material, adică lungimea de undă trebuie să fie semnificativ mai mare decât calea liberă medie a moleculelor prezente în gaz sau distanțele interatomice în solide și lichide. La presiune normală în gaze, limita superioară a frecvențelor ultrasonice este 109 Hz, iar în solide și lichide - 1012-10 13 Hz.
Surse cu ultrasunete
Ultrasunetele se găsesc în natură atât ca componentă a multor zgomote naturale (cascada, vânt, ploaie, pietricele rostogolite de surf, cât și în sunetele care însoțesc furtunile etc.), cât și ca parte integrantă a lumea animală. Unele specii de animale îl folosesc pentru orientarea în spațiu, detectarea obstacolelor. De asemenea, se știe că delfinii folosesc ultrasunetele în natură (în principal frecvențe de la 80 la 100 kHz). În acest caz, puterea semnalelor de locație emise de aceștia poate fi foarte mare. Se știe că delfinii sunt capabili să detecteze bancuri de pești până la un kilometru distanță.
Emițătorii (sursele) de ultrasunete sunt împărțiți în 2 grupuri mari. Primul este generatoarele, în care oscilațiile sunt excitate din cauza prezenței obstacolelor în ele instalate pe calea unui flux constant - un jet de lichid sau gaz. Al doilea grup în care sursele de ultrasunete pot fi combinate estetraductoare electro-acustice care convertesc fluctuațiile date ale curentului sau tensiunii electrice într-o vibrație mecanică produsă de un corp solid care radiază unde acustice în mediu.
Receptoare cu ultrasunete
La frecvențe medii și joase, receptoarele cu ultrasunete sunt cel mai adesea traductoare electroacustice de tip piezoelectric. Ele pot reproduce forma semnalului acustic primit, reprezentată ca o dependență de timp a presiunii sonore. Dispozitivele pot fi fie în bandă largă, fie rezonante, în funcție de condițiile de aplicare pentru care sunt destinate. Receptoarele termice sunt utilizate pentru a obține caracteristicile câmpului sonor mediat în timp. Sunt termistori sau termocupluri acoperite cu o substanță care absorb sunetul. Presiunea și intensitatea sunetului pot fi estimate și prin metode optice, cum ar fi difracția luminii prin ultrasunete.
Unde se utilizează ultrasunetele?
Există multe domenii de aplicare, în timp ce se utilizează diferite caracteristici ale ultrasunetelor. Aceste zone pot fi împărțite aproximativ în trei zone. Prima dintre ele este legată de obținerea diferitelor informații prin intermediul undelor ultrasonice. A doua direcție este influența sa activă asupra substanței. Iar al treilea este legat de transmiterea și procesarea semnalelor. În fiecare caz se utilizează US dintr-un anumit interval de frecvență. Vom acoperi doar câteva dintre numeroasele domenii în care și-a găsit drumul.
Curăţare cu ultrasunete
Calitatea acestei curățări nu poate fi comparată cu alte metode. La clătirea pieselor, de exemplu, până la 80% din contaminanți rămân pe suprafața lor, aproximativ 55% - cu curățarea prin vibrații, aproximativ 20% - cu curățarea manuală, iar cu curățarea cu ultrasunete, nu rămân mai mult de 0,5% dintre contaminanți. Detaliile care au o formă complexă pot fi curățate bine doar cu ajutorul ultrasunetelor. Un avantaj important al utilizării sale este productivitatea ridicată, precum și costurile reduse ale muncii fizice. În plus, puteți înlocui solvenții organici scumpi și inflamabili cu soluții apoase ieftine și sigure, puteți utiliza freon lichid etc.
O problemă serioasă este poluarea aerului cu funingine, fum, praf, oxizi metalici etc. Puteți utiliza metoda ultrasonică de curățare a aerului și a gazului din prizele de gaz, indiferent de umiditatea și temperatura ambiantă. Dacă un emițător de ultrasunete este plasat într-o cameră de depunere a prafului, eficiența acestuia va crește de sute de ori. Care este esența unei astfel de purificări? Particulele de praf care se mișcă aleatoriu în aer se lovesc reciproc mai puternic și mai des sub influența vibrațiilor ultrasonice. În același timp, dimensiunea lor crește datorită faptului că se îmbină. Coagularea este procesul de mărire a particulelor. Filtrele speciale captează grupurile lor ponderate și mărite.
Prelucrarea materialelor fragile și super dure
Dacă intră între piesa de prelucrat și suprafața de lucru a sculei folosind ultrasunete, material abraziv, atunci particulele abrazive în timpul funcționăriiemițătorul va afecta suprafața acestei părți. În acest caz, materialul este distrus și îndepărtat, supus prelucrării sub acțiunea unei varietăți de micro-impacturi direcționate. Cinematica prelucrării constă în mișcarea principală - tăiere, adică vibrațiile longitudinale efectuate de une altă, iar auxiliară - mișcarea de avans pe care o realizează mașina.
Ultrasunetele pot face diverse sarcini. Pentru boabele abrazive, sursa de energie sunt vibrațiile longitudinale. Ei distrug materialul prelucrat. Mișcarea de avans (auxiliară) poate fi circulară, transversală și longitudinală. Procesarea cu ultrasunete este mai precisă. În funcție de granulația abrazivului, acesta variază de la 50 la 1 micron. Folosind instrumente de diferite forme, puteți face nu numai găuri, ci și tăieturi complexe, axe curbate, să gravați, să șlefuiți, să faceți matrice și chiar să găuriți un diamant. Materiale folosite ca abraziv - corindon, diamant, nisip de cuarț, silex.
Ultrasunete în electronice radio
Ultrasunetele în tehnologie sunt adesea folosite în domeniul electronicii radio. În această zonă, adesea devine necesară întârzierea unui semnal electric față de altul. Oamenii de știință au găsit o soluție bună sugerând utilizarea liniilor de întârziere cu ultrasunete (LZ pe scurt). Acțiunea lor se bazează pe faptul că impulsurile electrice sunt transformate în vibrații mecanice ultrasonice. Cum se întâmplă? Faptul este că viteza ultrasunetelor este semnificativ mai mică decât cea dezvoltată de oscilațiile electromagnetice. Pulstensiunea după transformarea inversă în vibrații electrice mecanice va fi întârziată la ieșirea liniei în raport cu impulsul de intrare.
Traductoarele piezoelectrice și magnetostrictive sunt folosite pentru a converti vibrațiile electrice în mecanice și invers. LZ, respectiv, sunt împărțite în piezoelectric și magnetostrictiv.
Ecografia în medicină
Se folosesc diferite tipuri de ultrasunete pentru a influența organismele vii. În practica medicală, utilizarea sa este acum foarte populară. Se bazează pe efectele care apar în țesuturile biologice atunci când ultrasunetele trece prin acestea. Undele provoacă fluctuații în particulele mediului, ceea ce creează un fel de micromasaj tisulare. Iar absorbția ultrasunetelor duce la încălzirea locală a acestora. În același timp, în mediile biologice apar anumite transformări fizico-chimice. Aceste fenomene nu provoacă daune ireversibile în cazul unei intensități moderate a sunetului. Ele doar îmbunătățesc metabolismul și, prin urmare, contribuie la activitatea vitală a organismului expus acestora. Astfel de fenomene sunt folosite în terapia cu ultrasunete.
Ecografia în chirurgie
Cavitația și încălzirea puternică la intensități mari duc la distrugerea țesuturilor. Acest efect este folosit astăzi în chirurgie. Ecografia focalizată este utilizată pentru operații chirurgicale, care permite distrugerea locală în structurile cele mai profunde (de exemplu, creierul), fără a le deteriora pe cele din jur. Ecografia este folosită și în chirurgieunelte în care capătul de lucru arată ca o pilă, bisturiu, ac. Vibrațiile impuse acestora dau noi calități acestor instrumente. Forța necesară este redusă semnificativ, prin urmare, traumatismul operației este redus. În plus, se manifestă un efect analgezic și hemostatic. Impactul cu un instrument contondent folosind ultrasunete este folosit pentru a distruge anumite tipuri de neoplasme care au apărut în organism.
Impactul asupra țesuturilor biologice este efectuat pentru distrugerea microorganismelor și este utilizat în procesele de sterilizare a medicamentelor și instrumentelor medicale.
Cercetarea organelor interne
În principal vorbim despre studiul cavității abdominale. În acest scop, se folosește un aparat special. Ecografia poate fi folosită pentru a găsi și recunoaște diverse anomalii tisulare și anatomice. Provocarea este adesea după cum urmează: o malignitate este suspectată și trebuie să fie distinsă de o leziune benignă sau infecțioasă.
Ecografia este utilă în examinarea ficatului și pentru alte sarcini, care includ detectarea obstrucțiilor și a bolilor căilor biliare, precum și examinarea vezicii biliare pentru a detecta prezența pietrelor și a altor patologii în aceasta. În plus, pot fi utilizate teste pentru ciroză și alte boli hepatice benigne difuze.
În domeniul ginecologiei, în principal în analiza ovarelor și a uterului, utilizarea ultrasunetelor este de lungă duratădirecția principală în care se desfășoară cu succes deosebit. Adesea, aici este necesară diferențierea formațiunilor benigne și maligne, ceea ce necesită de obicei cel mai bun contrast și rezoluție spațială. Concluzii similare pot fi utile în studiul multor alte organe interne.
Utilizarea ultrasunetelor în stomatologie
Ecografia și-a găsit drum și în stomatologie, unde este folosită pentru îndepărtarea tartrului. Vă permite să îndepărtați rapid, fără sânge și fără durere placa și pietrele. În același timp, mucoasa bucală nu este rănită, iar „buzunarele” cavității sunt dezinfectate. În loc de durere, pacientul experimentează o senzație de căldură.
