Co je to ultrazvuk? Aplikace ultrazvuku ve strojírenství a lékařství

21. století je věk radio elektroniky, atom, dobytí vesmíru a ultrazvuku. Věda o ultrazvuku je dnes relativně mladá. V pozdní 19. století provedl první studium PN Lebedev, ruský fyziolog. Poté se mnoho vynikajících vědců začalo věnovat studiu ultrazvuku.

Co je to ultrazvuk?

Ultrazvuk je oscilační pohyb, který se šíří vlnami a který se provádí částečkami média. Má své vlastní charakteristiky, které se liší od zvuků slyšitelného rozsahu. Poměrně snadné získání směrového záření v oblasti ultrazvuku. Navíc je dobře zaměřena a v důsledku toho se zvyšuje intenzita oscilací. Při rozmnožování v tuhých látkách, kapalinách a plynech vytváří ultrazvuk zajímavé jevy, které nalezly praktické uplatnění v mnoha oblastech inženýrství a vědy. To je to, co je ultrazvuk, jehož role je dnes v různých sférách života velmi dobrá.

Role ultrazvuku ve vědě a praxi

Ultrazvuk v posledních letech začal hrát stále důležitější roli ve vědeckém výzkumu. Experimentální a teoretické výzkumy v oblasti akustických proudů a ultrazvukové kavitace byly úspěšně provedeny, což umožnilo vědcům rozvíjet technologické procesy, ke kterým dochází, když je ultrazvuk vystaven kapalné fázi. Je to silná metoda zkoumání různých jevů v takovém oboru znalostí jako je fyzika. Ultrazvuk se používá například ve fyzice polovodičů a pevných těles. Dnes se vytváří samostatné odvětví chemie nazvané "ultrazvuková chemie". Jeho aplikace nám umožňuje urychlit mnoho chemicko-technologických procesů. Byla také objevena molekulární akustika, nová část akustiky, která studuje molekulární interakce s podstatou zvukových vln. Objevily se nové oblasti aplikace ultrazvuku: holografie, introkopie, acoustoelektronika, ultrazvukové phasemery, kvantová akustika.

Kromě experimentální a teoretické práce v této oblasti se dnes uskutečnilo mnoho praktických. Byly vyvinuty speciální a univerzální ultrazvukové stroje, zařízení pracující pod zvýšeným statickým tlakem apod. Do výroby byly zavedeny ultrazvukové automaty zařazené do výrobních linek, což umožňuje podstatně zvýšit produktivitu práce.

Více o ultrazvuku

Promluvme si podrobněji o tom, co je ultrazvuk. Již jsme řekli, že jde o elastické vlny a oscilace. Ultrazvuková frekvence je více než 15-20 kHz. Subjektivní vlastnosti našeho sluchu určují spodní hranici ultrazvukových frekvencí, která je odděluje od frekvence slyšitelného zvuku. Tato hranice je tedy podmíněna a každý z nás odlišně definuje jaký je ultrazvuk. Horní hranice je označena elastickými vlnami, jejich fyzickou povahou. Propagují se pouze v materiálním médiu, to znamená, že vlnová délka musí být podstatně větší než průměrná volná cesta molekul přítomných v plynech nebo mezatomických vzdáleností pevných látek a kapalin. Při normálním tlaku v plynech je horní frekvence ultrazvukových vln 10 ⁹ Hz, zatímco u pevných látek a kapalin je 10 ^{12 -} 10 ¹³ Hz.

Ultrazvukové zdroje

Ultrazvuk se také nachází v přírodě jako součást mnoha přírodních zvuků (vodopád, vítr, déšť, oblázky obtékající surfováním, doprovázené vypouštění zvuků bouře atd.) A jako nedílná součást zvířecího světa. Používají určité druhy zvířat pro orientaci ve vesmíru, detekci překážek. Také je známo, že ultrazvuk v přírodě používá delfíny (zejména kmitočty od 80 do 100 kHz). V tomto případě může být velmi velká síla vyzařovaných polohových signálů. Je známo, že delfíni jsou schopni odhalit rybníky, které se nacházejí ve vzdálenosti jednoho kilometru od nich.

Radiátory (zdroje) ultrazvuku jsou rozděleny do 2 velkých skupin. Prvním z nich jsou generátory, u kterých jsou kmity vzrušeny kvůli přítomnosti překážek v nich, které se nacházejí na cestě konstantního toku - tryska kapaliny nebo plynu. Druhá skupina, do které lze kombinovat ultrazvukové zdroje, jsou elektroakustické měniče, které přeměňují předepsané kmity proudového nebo elektrického napětí na mechanickou oscilaci, prováděné pevnou látkou, která vydává akustické vlny do prostředí.

Ultrazvukové přijímače

U středních a nízkých frekvencí jsou ultrazvukovými přijímači nejčastěji piezoelektrické elektroakustické měniče. Mohou reprodukovat tvar přijatého akustického signálu, který je reprezentován jako časová závislost akustického tlaku. Zařízení mohou být širokopásmové nebo rezonující, v závislosti na podmínkách, pro které jsou určeny. Tepelné přijímače se používají k získání charakteristik zvukových polí zprůměrovaných v průběhu času. Jedná se o termistory nebo termočlánky pokryté zvukově absorbujícími materiály. Zvukový tlak a intenzita mohou být také hodnoceny optickými metodami, jako je difrakce světla pomocí ultrazvuku.

Kde se používá ultrazvuk?

Existuje mnoho oblastí jeho aplikace, při použití různých vlastností ultrazvuku. Tyto koule lze podmíněně rozdělit do tří směrů. První z nich je spojeno s získáním různých informací pomocí ultrazvukových vln. Druhým směrem je jeho aktivní vliv na látku. A třetí je spojeno s přenosem a zpracováním signálů. V konkrétním případě se používá určitý frekvenční rozsah USA. Budeme jen mluvit o některých z mnoha oblastí, ve kterých našel svou aplikaci.

Čištění pomocí ultrazvuku

Kvalita tohoto čištění nelze srovnávat s jinými metodami. Při opláchnutí součástí například zůstává na povrchu asi 80% znečištění, asi 55% - při čištění vibrací, asi 20% - ručně a ultrazvukem, ne více než 0,5% kontaminantů. Části, které mají složitý tvar, lze dobře vyčistit pouze pomocí ultrazvuku. Důležitou výhodou jeho využití je vysoká produktivita, stejně jako nízké náklady na pracovní sílu. Dále je možné nahradit drahé a hořlavé organická rozpouštědla levnémi a bezpečnými vodnými roztoky, používat tekutý freon atd.

Závažným problémem je znečištění ovzduší sazemi, kouřem, prachem, oxidy kovů apod. Pomocí ultrazvukové metody čištění vzduchu a plynu ve výfukových plynech bez ohledu na vlhkost média a teplotu. Pokud je ultrazvukový radiátor umístěn v prachové komoře, účinnost jeho působení se zvýší stokrát. Jaká je podstata tohoto čištění? Rozvolňovače prachu pohybující se ve vzduchu jsou silnější a častěji se zasahují pod působením ultrazvukových vibrací. V takovém případě se jejich velikost zvyšuje kvůli tomu, že se spojí. Koagulace je proces hrubnutí částic. Speciální filtry zachycují vážící a zvětšují shluky.

Mechanické zpracování křehkých a superhrdinových materiálů

Pokud mezi obrobkem a pracovním povrchem nástroje, který používá ultrazvuk, abrazivní materiál, vstoupíte na povrch této části, když působí emitor. Současně je materiál zničen a odstraněn, podléhající zpracování za působení mnoha zaměřených mikroaktiv. Kinematika zpracování je tvořena hlavním pohybem - řezáním, to jest podélnými vibracemi vytvořenými nástrojem a pomocným pohybem - pohybem posuvu, který zařízení provádí.

Ultrazvuk může dělat různé práce. U abrazivních zrn je zdrojem energie podélné oscilace. Také zničí zpracovaný materiál. Posuv (pomocný) může být kruhový, příčný a podélný. Zpracování ultrazvukem je velice přesné. V závislosti na granularitě abraziva je to 50 až 1 mikron. Pomocí nástrojů různých tvarů můžete vytvářet nejen díry, ale i složité výřezy, zakřivené osy, rytiny, broušení, výrobu matric a dokonce vrtání diamantu. Používá se jako abrazivní materiály - korund, diamant, křemenný písek, křemelina.

Ultrazvuk v rádiové elektronice

Ultrazvuk ve strojírenství se často používá v oblasti radiové elektroniky. V této oblasti je často potřeba zpožďovat elektrický signál s ohledem na některé jiné. Vědci nalezli úspěšné řešení, které naznačuje použití ultrazvukových zpožďovacích linek (zkráceně - LZ). Jejich působení je založeno na skutečnosti, že elektrické impulsy jsou přeměněny na ultrazvukové mechanické vibrace. Jak se to děje? Otázkou je, že ultrazvuková rychlost je mnohem menší než to, co je způsobeno elektromagnetickými kmity. Napěťový impuls po zpětném přeměně elektrických mechanických kmitů bude opožděn na výstupní lince vzhledem k vstupnímu impulsu.

Piezoelektrické a magnetostriktivní měniče se používají k přeměně elektrických kmitů na mechanické kmity a naopak. LZ, jsou rozděleny na piezoelektrické a magnetostriktivní.

Ultrazvuk v medicíně

Různé typy ultrazvuku se používají k ovlivnění živých organismů. V lékařské praxi je jeho použití velmi populární. Je založen na účincích, které vznikají v biologických tkáních, když jim prochází ultrazvuk. Vlny způsobují vibrace částic média, což vytváří určitý druh mikromasáže tkání. A absorpce ultrazvuku vede k místnímu vytápění. Současně dochází k určitým fyzikálně chemickým přeměnám v biologických prostředích. Tyto jevy nezpůsobují v případě mírné intenzity zvuku nevratné poškození. Zlepšují pouze metabolismus, a proto přispívají k životně důležitým aktivitám organismu, který je jim vystaven. Tyto jevy se používají při ultrazvukové terapii.

Ultrazvuk v chirurgii

Kavitace a silné zahřívání při vysokých intenzitách vedou k destrukci tkání. Tento účinek se dnes používá v chirurgii. Ohniskový ultrazvuk se používá pro chirurgické operace, které umožňují lokální zničení v nejhlubších strukturách (například mozku) bez poškození okolních. Chirurgie využívá také ultrazvukové přístroje, u nichž je pracovní konec ve formě pil, skalpelu a jehly. Kvůli oscilacím, která jim dávají, dávají těmto zařízením nové vlastnosti. Požadovaná síla je výrazně snížena, a proto je snížena traumatizace operace. Kromě toho se objevuje anestetikum a hemostatický účinek. Vliv tupého nástroje pomocí ultrazvuku se používá k zničení vzhledu některých typů novotvarů v těle.

Účinek na biologické tkáně se provádí pro ničení mikroorganismů a používá se při sterilizaci léků a lékařských přístrojů.

Vyšetřování vnitřních orgánů

V podstatě jde o vyšetření břišní dutiny. Pro tento účel se používá speciální přístroj. Ultrazvuk může být použit k nalezení a rozpoznání různých anomálií tkání a anatomických struktur. Úkolem je často toto: existuje podezření na přítomnost maligního vzdělání a je nutné ho odlišit od vzniku benigních nebo infekčních onemocnění.

Ultrazvuk je užitečný při vyšetřování jater a při řešení dalších problémů, které zahrnují detekci obstrukcí a onemocnění žlučovodů, stejně jako vyšetření žlučníku k detekci přítomnosti kamenů a dalších patologií. Kromě toho může být použita studie o cirhóze a jiných difúzních benigních onemocněních jater.

V oblasti gynekologie, zejména v analýze vaječníků a dělohy, je použití ultrazvuku po dlouhou dobu hlavním směrem, ve kterém se provádí zvláště úspěšně. Často existuje také potřeba diferenciace benigních a maligních formací, které obvykle vyžadují nejlepší kontrast a prostorové rozlišení. Podobné závěry mohou být užitečné při studiu mnoha dalších vnitřních orgánů.

Aplikace ultrazvuku ve stomatologii

Ultrazvuk také našel aplikaci v stomatologii, kde se používá k odstranění zubního kamene. Umožňuje vám rychle, bezkrevně a bezbolestně odstranit plaketu a kámen. V tomto případě není ústní sliznice poškozena a "kapsy" dutiny jsou dezinfikovány. Namísto bolesti trpí pacient pocit tepla.