Ультразвук, виды, свойства и применение

Что такое ультразвук?

"Ультразвук (УЗ) - это звуковые волны с частотами выше порога слышимости человеческого уха, обычно в диапазоне от 20 кГц до нескольких ГГц..."

---

Полезные статьи:

Что такое звук?

Радиоволны, виды, принцип работы

Все статьи

---

   Содержание:

---

1. История открытия

2. Виды ультразвука

3. Принцип работы

4. Свойства

• Частота
• Скорость

5. Применение

• В природе
• В технике
• Чистка ультразвуком

6. Преимущества и недостатки

История открытия

История открытия ультразвуковых волн началась в 1927 году, когда американский ученый, доктор Людвиг Дж. Прандтль, проводил исследования в области аэродинамики. Он заметил, что при прохождении звука через твердые тела, на границе между разными материалами возникают эхо-сигналы, но которые были очень слабыми и находились за пределами слышимого диапазона человеческого уха.

Ученый продолжил свои исследования и в 1930 году вместе с коллегами опубликовал статью, в которой описал свои наблюдения и предложил термин “ультразвук” для обозначения этих эхо-сигналов. Однако, его открытие не получило широкого признания и ультразвуковые волны оставались малоизученными до начала Второй мировой войны.

Во время войны ультразвук был использован для обнаружения подводных лодок и обнаружения объектов в воздухе. Это привело к увеличению интереса к ультразвуковым волнам и исследованиям в этой области.

В 1940-х годах ученые из США, Великобритании, Франции и СССР начали активно изучать свойства ультразвука и его применение в различных областях науки и техники. В 1950-х и 1960-х годах ультразвук начал использоваться в медицине, в частности, в ультразвуковой диагностике.

С тех пор ультразвук стал широко использоваться в различных областях, включая медицину, промышленность, науку и технику. Современные ультразвуковые технологии позволяют проводить высокоточные исследования и измерения, а также использовать для лечения различных заболеваний.

Виды ультразвука

Существует различные виды ультразвука, которые отличаются по частоте, длине волны и области применения и т.д:

По частоте волны:

• Низкочастотные (НЧ) - от 20 до 100 кГц.
• Среднечастотные (СЧ) - от 100 до 500 кГц.
• Высокочастотные (ВЧ) - выше 500кГц.

По типу генерации:

• Пьезоэлектрический ультразвук. Используются кристаллы, такие как кварц или титанат бария, которые при подаче электрического напряжения могут сжиматься или расширяться, создавая ультразвуковые волны.
• Магнитострикционный ультразвук. Волны создаются магнитными полями, воздействующими на специальные сплавы, например, никель или железо.
• Электромагнитный ультразвук. Ультразвуковые волны генерируются электромагнитными полями.

По способу применения:

• Контактный УЗ. Используется для непосредственного воздействия на объект.
• Иммерсионный УЗ. Объект погружается в жидкость, в которой создаются ультразвуковые волны.

По форме сигнала:

• Синусоидальный УЗ. Представляет собой синусоидальные волны.
• Импульсный ультразвук. Состоит из коротких импульсов с паузами между ними.

По типу волны:

• Продольные ультразвуковые волны, распространяющиеся параллельно направлению движения волны.
• Поперечные ультразвуковые волны, перпендикулярные направлению движения волны.

По назначению:

• Диагностический ультразвук, используемый для визуализации внутренних органов и структур.
• Терапевтический ультразвук, применяемый для лечения различных заболеваний.

По степени опасности для человека:

• Класс 1 Безопасный. Не представляет угрозы для здоровья человека.
• Класс 2. Ограниченно безопасный. Может вызывать кратковременные нежелательные эффекты у некоторых людей.
• Класс 3. Опасный. Может вызвать серьезные последствия для здоровья.

По виду применения:

• Промышленный, использующийся в различных технологических процессах.
• Медицинский, предназначенный для диагностики и лечения заболеваний.

По источникам:

• Устройства промышленного производства.
• Самодельные устройства.

В заключение, ультразвук имеет множество классификаций, и каждая из них имеет свои особенности и сферы применения. Важно знать и понимать эти классификации, чтобы правильно использовать ультразвук в различных областях деятельности.

Принцип работы ультразвука

Принцип работы ультразвука основан на преобразовании электрических сигналов в акустические волны с помощью специальных устройств – преобразователей. Этот процесс происходит в несколько этапов:

• Генерация электрических импульсов: Сначала источник УЗ (например, генератор сигналов) генерирует электрические импульсы определенной частоты. Эти импульсы будут управлять работой ультразвукового преобразователя.
• Преобразование электрических импульсов в механические колебания: Ультразвуковой преобразователь принимает электрические импульсы и преобразует их в механические колебания. Это происходит благодаря пьезоэлектрическому эффекту – изменению размеров некоторых материалов при подаче на них электрического напряжения.
• Распространение механических колебаний в среде: Механические колебания распространяются в среде (обычно это жидкость или газ), создавая акустические волны. Эти волны создают изменения давления в среде, которые затем воспринимаются как звук.
• Прием и обработка акустических сигналов: Если ультразвуковые волны используются для получения информации об объекте или среде, то они отражаются от объекта и возвращаются обратно к преобразователю. Здесь они снова преобразуются в электрические сигналы, которые могут быть обработаны и проанализированы.

Важно отметить, что частота ультразвуковых волн определяет их проникающую способность и возможности применения. Более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение и проникающую способность, но имеют более короткое расстояние распространения. Напротив, более низкие частоты имеют большую дальность распространения, но худшее разрешение.

Свойства ультразвука

Ультразвук - это звуковые волны, частота которых превышает 20 кГц (т.е. выше порога слышимости человеческого уха). Основные характеристики ультразвука включают в себя:

• Частота: обычно находится в диапазоне от 20 до 500 кГц. Более высокая частота обычно ассоциируется с более высокой интенсивностью звука и лучшими возможностями для его применения.
• Длина волны: обратно пропорциональная частоте. Ультразвуковые волны имеют очень короткие длины волн, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
• Интенсивность: измеряется в Вт/м^2 и показывает количество энергии, переносимой ультразвуком через единицу площади. Интенсивность ультразвука может варьироваться от очень низкой до достаточно высокой, чтобы вызвать различные физические эффекты.
• Давление ультразвука: это переменное акустическое давление, возникающее из-за сжатия и расширения среды под воздействием ультразвуковых волн.
• Мощность: определяется как энергия, переносимая ультразвуковыми волнами через единицу площади в единицу времени. Измеряется в ваттах (Вт).
• Направление распространения: может быть продольным (сжатие и растяжение среды) или поперечным (колебания среды перпендикулярны направлению распространения).
• Поляризация: описывает ориентацию колебаний частиц в среде относительно направления распространения ультразвуковых волн. Может быть линейной, круговой или эллиптической.
• Вид модуляции: непрерывные ультразвуковые волны (CW) или импульсные.
• Взаимодействие ультразвука с веществом: зависит от частоты, интенсивности и вида модуляции ультразвука, а также от свойств материала. Может приводить к различным эффектам, таким как кавитация, нагрев, массаж и другие.

Частота ультразвука

Частота ультразвука - это число колебаний звуковых волн в секунду. В отличие от обычного звука, ультразвук имеет частоты выше 20 килогерц, что делает его неслышимым для человеческого уха. Он используется в различных областях, включая медицину, промышленность и науку.

УЗ обладает рядом уникальных свойств, которые делают его привлекательным для применения в разных сферах. Например, он может проходить через некоторые материалы, не вызывая заметных потерь, и может быть сфокусирован в очень узкий луч. Это делает его идеальным для использования в диагностике и терапии, например, в ультразвуковой диагностике (УЗИ) и ультразвуковой терапии.

Приложения чатоты

Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных диапазонов частот, используемых в различных приложениях:

• Ультразвуковая диагностика (медицинское использование): обычно используются частоты от 2 МГц до 15 МГц.
• Очистители: работают в диапазоне от 25 кГц до 45 кГц, что позволяет очищать мелкие детали без повреждения поверхности.
• Тестирование материалов: используются частоты от нескольких сотен кГц до нескольких МГц для определения свойств материалов.
• Контроль сварных швов: применяется частота около 20 МГц для обнаружения дефектов сварных швов.
• Очистка воздуха: для очистки воздуха от пыли и других загрязнений используются частоты в диапазоне от 50 кГц до 300 кГц.
• Обработка пищевых продуктов: применяются частоты от 20 до 400 кГц для улучшения качества и продления срока хранения продуктов.
• Исследование тканей: для исследования тканей используется частота около 10 МГц.

Выбор конкретной частоты ультразвука зависит от конкретного применения и требуемых характеристик.

Скорость ультразвука

Скорость ультразвука - это скорость, с которой ультразвуковые волны распространяются в среде. Ультразвук - это звуковые волны, частота которых превышает 20 килогерц, что находится за пределами слышимости человеческого уха. В связи с этим, для его генерации и приема используются специальные устройства - ультразвуковые преобразователи.

Скорость ультразвука зависит от нескольких факторов, включая свойства среды (например, плотность, вязкость, упругость), частоту ультразвуковых волн и наличие примесей в среде. В общем случае, скорость ультразвука увеличивается с увеличением упругости и плотности среды.

В воздухе скорость ультразвука составляет около 330 метров в секунду, в воде - около 1500 метров в секунду. В мягких тканях организма человека, таких как мышцы и жир, скорость ультразвука варьируется от 1400 до 1600 метров в секунду в зависимости от типа ткани. В костях скорость ультразвука может достигать 4000 метров в секунду и выше.

Знание скорости ультразвука важно для различных медицинских применений, таких как ультразвуковая диагностика, лечение ультразвуком и т.д.

Это позволяет точно определить расстояние между источником ультразвука и исследуемым объектом, а также время, необходимое для прохождения ультразвуковых волн через среду.

Применение ультразвука

Ультразвук широко используется в различных отраслях:

• промышленности,
• медицине,
• косметологии,
• сельском хозяйстве,
• пищевой промышленности,
• электронике,
• науке и исследовании.

Применение ультразвука в природе

Ультразвук в природе окружают нас повсюду, и многие живые существа используют их для коммуникации, навигации и ориентации в пространстве.

Эхолокация

Способность животных определять свое местоположение и ориентироваться в окружающей среде при помощи ультразвука. Многие виды летучих мышей и дельфинов используют ультразвук для обнаружения объектов и определения расстояния до них. Они испускают сигнал, который отражается от объектов и возвращается к ним, позволяя им определить их положение и форму.

Общение

Ультразвуковые сигналы используются животными для общения на больших расстояниях. Некоторые виды птиц и насекомых издают ультразвуковые звуки для привлечения партнеров или предупреждения об опасности.

Обнаружение добычи

Некоторые животные, такие как совы и койоты, используют ультразвуковые волны для обнаружения движений своей добычи. Эти звуки отражаются от движущихся объектов, что позволяет животным определить их местоположение и размер.

Навигация

Некоторые птицы, например, голуби, используют магнитное поле Земли для навигации. Они могут улавливать магнитные поля, создаваемые магнитным полем Земли, при помощи своих ушей. Уши голубей способны воспринимать ультразвуковые колебания магнитного поля Земли, что помогает им ориентироваться и находить дорогу домой.

Ультразвуковая мимикрия

Некоторые виды рыб и насекомых имитируют звуки, издаваемые другими существами, чтобы отпугнуть хищников или привлечь добычу. Например, некоторые виды цикад и сверчков могут генерировать ультразвуковые частоты, которые отпугивают хищников.

Биологическое воздействие

Ультразвук может оказывать влияние на поведение и физиологию живых существ. Например, ультразвук может стимулировать рост растений и микроорганизмов, а также подавлять развитие патогенных бактерий.

В целом, ультразвук играет важную роль в жизни многих животных и растений, помогая им ориентироваться в пространстве, общаться, находить добычу и избегать хищников.

Применение ультразвука в технике

Ультразвук в технике используется для различных целей, таких как:

• Измерение расстояний: Ультразвуковые датчики используются для измерения расстояний, размеров и скоростей объектов. Они работают, посылая звуковые волны и измеряя время, необходимое для возвращения отраженного сигнала.
• Контроль качества материалов: Ультразвуковой метод применяется для оценки степени однородности и прочности материалов. Ультразвуковые волны рассеиваются по-разному в зависимости от структуры материала, что позволяет определить его качество.
• Дефектоскопия: Ультразвуковая дефектоскопия используется для обнаружения внутренних дефектов в материалах, таких как трещины, поры и включения. Это важно для обеспечения надежности и безопасности конструкций.
• Сварка пластмасс: Ультразвук используется для сварки пластмассовых деталей. Он обеспечивает равномерное соединение без перегрева и изменения свойств материала.
• Очистка деталей: Ультразвуковые ванны используются для очистки деталей от загрязнений, таких как масла, жиры и остатки клея. Ванна заполняется специальным раствором, и детали помещаются в нее. Ультразвук создает множество микроскопических пузырьков, которые разрушают загрязнения и облегчают их удаление.
• Обработка материалов: Ультразвуковое воздействие может изменять свойства материалов, такие как прочность, твердость и износостойкость. Это может быть использовано для улучшения качества изделий и повышения их долговечности.
• Производство композитных материалов: Композитные материалы, состоящие из двух или более различных материалов, могут быть изготовлены с использованием ультразвука. Например, в производстве углеродных волокон ультразвук используется для соединения волокон с полимерными связующими материалами.
• Полировка и шлифовка: Ультразвуковые инструменты используются для полировки и шлифовки металлических и неметаллических поверхностей. Они обеспечивают равномерную обработку поверхности с минимальными усилиями со стороны оператора.
• Медицина: Ультразвук также используется в медицине для диагностики и лечения различных заболеваний, таких как рак, болезни сердца и неврологические расстройства.

Чистка ультразвуком

Ультразвуковая чистка - это косметологическая процедура, направленная на очищение и обновление кожи лица.

Она выполняется с использованием специального прибора, который создает ультразвуковые волны высокой частоты (от 20 до 30 кГц). Этот метод подходит для всех типов кожи и не вызывает неприятных ощущений.

Суть процедуры заключается в том, что ультразвуковые колебания создают в коже микровибрации, которые способствуют отделению омертвевших клеток эпидермиса и загрязнений из пор. В результате кожа становится более гладкой, мягкой и сияющей.

Преимущества и недостатки ультразвука

 Вот некоторые преимущества и недостатки использования ультразвука:

Преимущества:

• Безопасность: Ультразвук является неинвазивным методом, который не вызывает повреждений тканей и не требует использования радиации, что делает его безопасным для пациентов.
• Точность: Ультразвуковое исследование (УЗИ) позволяет получать детализированные изображения внутренних органов, что помогает в диагностике различных заболеваний.
• Доступность: УЗИ-аппараты относительно недороги по сравнению с другими диагностическими методами, такими как МРТ или КТ.
• Мобильность: Ультразвуковые устройства могут быть портативными, что позволяет проводить обследования в различных условиях, включая выездные мероприятия.
• Отсутствие побочных эффектов: Ультразвук не вызывает побочных эффектов, что делает его подходящим для беременных женщин и новорожденных.
• Широкий спектр применения: Ультразвук используется в медицине (для диагностики, терапии), в промышленности (для контроля качества, очистки), в научных исследованиях и даже в косметологии.

Недостатки:

• Ограниченная проникающая способность: Ультразвук плохо проникает через воздух и кости, что может ограничивать его применение в определенных областях (например, для исследования легких или костей).
• Зависимость от оператора: Качество ультразвукового исследования во многом зависит от квалификации и опыта специалиста, проводящего обследование.
• Не всегда информативен: В некоторых случаях ультразвук может не дать достаточной информации для диагностики, и может потребоваться использование других методов (например, КТ или МРТ).
• Проблемы с визуализацией: Наличие газов в кишечнике или избыточное ожирение могут затруднять получение четких изображений.
• Ограниченная оценка тканей: Ультразвук может не всегда точно дифференцировать между различными типами тканей или опухолями.

В целом, ультразвук — это мощный инструмент с множеством преимуществ, но его использование также имеет свои ограничения.