Какие свойства ультразвука в
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.
Похожие темы:
- Инфразвук. Работа и применение. Особенности и влияние
- Ультразвуковые датчики часть 1. Устройство и работа
- Ультразвуковые датчики часть 2. Типы и работа. Применение
- Магнитное поле. Источники и свойства. Правила
- Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
Источник
Ультразвук широко применяется в косметологии и физиотерапии. Он представляет собой высокочастотные механические колебания частиц среды, которые распространяются в ней в виде попеременных сжатий и разрежений вещества. Частота ультразвуковых колебаний лежит в неслышном акустическом диапазоне (выше 16 кГц).
В физиотерапии и косметологии используют ультразвук частотой 24-42 кГц, 800-900 кГц или около 3000 кГц.
Основными физическими параметрами и величинами, которые используются для оценки свойств ультразвука, являются частота и интенсивность ультразвуковых колебаний.
Частота ультразвука
Частота колебаний – это число чередований сжатий и разряжений в единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – одно колебание в секунду. В терапевтической практике ультразвук используют в диапазоне частот 800-3000 кГц (1 кГц=1000 Гц). Выбор частоты ультразвука зависит от глубины расположения органов и тканей, подлежащих воздействию. При поверхностном их расположении применяют ультразвук высокой частоты (3 МГц), при более глубоком – более низкие частоты.
Глубина проникновения ультразвука
Глубина проникновения УЗ-колебаний зависит от их частоты. Чем больше частота колебаний, тем меньше глубина проникновения и наоборот.
- При частоте 1600-3000 кГц ультразвук проникает на глубину 1-1,5 см (поглощается кожей).
- При частоте 800-900 кГц – на 4-5 см.
- При частоте 20-45 кГц проникает на глубину 8-14 см.
При этом следует иметь ввиду, что глубина проникновения веществ при фонофорезе значительно меньше, чем глубина проникновения ультразвуковых волн (колебаний).
Товары, которые упоминаются в статье
Интенсивность ультразвука
Интенсивность ультразвуковых колебаний – это количество энергии, проходящее через 1 см² площади излучателя аппарата в течение 1 секунды. Единица измерения в системе СИ – Вт/см². Применяемую в физиотерапевтической и косметологической практике интенсивность ультразвуковых колебаний условно подразделяют на:
- малую (0,05-0,4 Вт/см²) – оказывает стимулирующее действие;
- среднюю (0,5-0,8 Вт/см²) – коррегирующее (противовоспалительное, обезболивающее) действие;
- большую (0,9-1,2 Вт/см²) – рассасывающее действие.
Из новых методик интересна так называемая «ультразвуковая липосакция» – применение низкочастотного (20-45 кГц) ультразвука со сверхбольшой интенсивностью – до 3 Вт/см².
Скорость распространения ультразвука в различных средах
Скорость распространения ультразвуковых колебаний в тканях зависит от плотности среды и величины акустического сопротивления. Чем плотнее ткань, тем больше скорость распространения ультразвука. В воздухе она равна 330 м/с, в воде – 1500 м/с, в сыворотке крови – 1060-1540 м/с, в костной ткани – 3350 м/с. Поэтому в неоднородных средах, какими являются ткани организма, распространение ультразвука происходит неравномерно. Таким образом, максимум поглощения ультразвуковой энергии наблюдается в костной ткани, на границе разных тканей, а также на внутренних мембранах клеток.
Товары, которые упоминаются в статье
Наталия Баховец
Кандидат медицинских наук, физиотерапевт, косметолог, автор многочисленных книг и методических пособий по аппаратной косметологии,
руководитель и методолог учебного центра АЮНА.
Источник
Звук представляет собой механические колебания газообразной, жидкой или плотной среды. Каждый звук характеризуется определенной частотой, скоростью и интенсивностью. Частота звука представляет собой число циклов разрежения и сжатия в секунду. Единицей измерения частоты звука является герц (Гц) и его производные. 1 Гц соответствует 1 циклу в секунду. Также используются понятия кГц (1 кГц = 103 Гц) и МГц (1 МГц = 106 Гц). Часто та звука воспринимается человеческим ухом как высота звука. Длина волны — это расстояние, которое проходит звук за один цикл разрежения и сжатия, что соответствует расстоянию между двумя последовательными пиками. Частота и длина волны взаимосвязаны. Поскольку звук преодолевает определенное расстояние за секунду, чем больше циклов звуковых колебаний в секунду (больше частота), тем короче длина волны. Скорость звука = Частота х Длина волны.Скорость звука измеряется в метрах в секунду (м/с) и определяется свойствами среды, в которой звук распространяется. В мягких тканях скорость звука составляет 1540 м/с. Интенсивность или громкость звука измеряется в децибелах. Чем выше интенсивность звука, тем больше расстояние, на котором он слышен. Звук с частотой выше, чем воспринимаемая человеческим ухом (более 20 кГц), называется ультразвуком. Методика, использующая ультразвук для исследования сердца, получила название эхокардиографии (ЭхоКГ).
Ультразвук образуется благодаря свойству некоторых кристаллов совершать механические колебания под воздействием электричества. Данный эффект получил название пьезоэлектрического (давление-электричество). Если подать электрическое напряжение на пьезоэлектрический кристалл, он начинает вибрировать. Ультразвуковой датчик содержит несколько кристаллов, которые передают образовавшиеся ультразвуковые волны через тело пациента.
Большая часть ультразвуковых волн рассеивается или поглощается тканями, и лишь небольшая их часть отражается и улавливается датчиком. Отраженные волны деформируют пьезоэлектрические кристаллы с образованием электрического поля. Отраженный сигнал несет информацию о глубине и характере исследуемой ткани. В наибольшей степени отражение ультразвука происходит на границе тканей с различной плотностью. Величина электрического поля, образованного отраженными ультразвуковыми волнами, определяет интенсивность и яркость изображения на экране прибора.Структуры с высокой отражающей способностью (например, кости) в серошкальном изображении будут белого цвета, структуры с низкой отражающей способностью (например, мышцы) — серого цвета, не отражающие ультразвук структуры (например, воздух) — черного цвета.Расположение на экране структуры, отразившей ультразвук, зависит от задержки между переданным и принятым ультразвуковым импульсом. Более глубоко расположенные структуры отображаются в нижней части изображения, тогда как поверхностные структуры — в верхней части экрана. Таким образом, изображение на экране имеет вид треугольника с верхней вершиной, образованной ультразвуковым датчиком (рис. 1.3).При распространении ультразвука в однородной среде происходит постепенное рассеивание и затухание сигнала в первоначальном направлении. При прохождении ультразвука через среды с различной плотностью на границе сред часть ультразвуковых волн отражается в обратном направлении.Именно отраженные ультразвуковые волны воспринимаются датчиком и анализируются ультразвуковым прибором. Длина ультразвуковой волны связана со скоростью и частотой следующим отношением (Длина волны = Скорость/Частота). Поскольку длина волны обратно пропорциональна частоте, чем выше частота ультразвука, тем короче длина волны. Чем короче длина волны, тем больше разрешающая и меньше проникающая способность. Таким образом, высокочастотные датчики (от 5,0 до 7,5 МГц) обеспечивают хорошее разрешение при исследовании поверхностных структур и у детей (табл. 1.1). Чем ниже частота ультразвука, тем больше длина волны. Чем больше длина волны, тем меньше разрешающая и больше проникающая способность. Таким образом, низкочастотные датчики (от 2,5 до 3,5 МГц) обеспечивают хорошую проникающую способность при исследовании более глубоких структур и у взрослых пациентов.
Источник
Телефон и факс:+7 (3854) 43-25-81
Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.
Колебания с частотой от единиц Герц (Гц) до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки. Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 108 Гц, а колебания с частотой более 108 Гц получили название гиперзвуков [1]. На рисунке 1.1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg2f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3 …, n – номера октав.
Рисунок 1.1 – Диапазоны упругих колебаний в материальных средах
Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Для понимания природы упругих колебаний рассмотрим их свойства.
Форма волны – это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну, если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны, воздает сферическую волну.
Звуковые волны подразделяются по типу волн: они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения и распространения. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие из перечисленных типов волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (Рисунок 1.2, а), поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (Рисунок 1.2, б) [2].
а)
б)
а) движение частиц среды при распространении продольной волны; б) движение частиц среды при распространении поперечной волны.
Рисунок 1.2 – Движение частиц при распространении волны
Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (Рисунок 3) [3]. При этом длина волны λ связана с частотой f через скорость распространения волны в данном материале c: λ = c/f.
Рисунок 1.3 – Характеристики колебательного процесса
Частота – это количество колебаний, совершаемых системой в единицу времени; длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время равное периоду колебаний T (T = 1/f ), т. е. за время, затраченное на одно колебание; амплитуда колебаний – это максимальное отклонение колебательной системы от положения равновесия.
По своей физической природе звуковые и ультразвуковые колебания ничем друг от друга не отличаются. Это упругие колебания в материальных средах. Рассмотрим, какими параметрами можно охарактеризовать волну:
Длина волны λ — это расстояние, которое проходит волна, пока частица среды совершает одно колебательное движение. Расстояние между соседними максимумами или минимумами возмущения считают длиной волны.
Амплитуда колебаний А – представляет собой максимальное смещение частицы из положения равновесия во время ее колебательного движения, вызванного возбуждением частиц среды.
Частота колебаний f — это число колебаний, совершаемых частицей среды за одну секунду. Единицей частоты является Герц (Гц). Для звуковых волн, генерируемых средой, характерен непрерывный ряд или диапазон частот. Самая низкая частота волны называется основной или собственной, а остальные являются гармониками или обертонами. Частота второй гармоники в два раза превышает собственную частоту системы. Аналогично частота третьей гармоники превышает ее в три раза и т.д.
Период колебаний Т – это время, необходимое частице для совершения одного колебательного движения. По определению время, за которое волна производит f колебаний, равно 1 секунде.
Колебание – это возвратно-поступательное движение из одного крайнего положения в другое и обратно через положение равновесия.
Фаза колебаний φ — это отношение смещения колеблющейся частицы в данный момент времени к его амплитудному значению. Если точки колебательного процесса находятся в одной фазе (их разность фаз составляет 2π), то расстояние между этими двумя точками равно одной длине волны λ.
Скорость распространения колебаний С — это расстояние, пройденное волной за одну секунду.
Рассмотрим особенности ультразвуковых колебаний:
Обычно границей начала ультразвукового диапазона частот принято считать 16…20 кГц. Следует отметить, что столь большой диапазон выбран по той причине, что для каждого человека граница ультразвука (неслышимости звука) своя. Для некоторых это 10 кГц, для других – 20 кГц, а встречаются уникумы способные воспринимать и 25 кГц.
Еще более сложная проблема с определением верхней границы ультразвукового диапазона. Возможности человеческого уха здесь не играют роли, и приходится отталкиваться от физической природы упругих колебаний, которые могут распространяться в материальной среде при условии, длина волны больше межатомных расстояний.
Длина их волны пропорциональна 1/f . λ= с /f . На основании исследований установлено существование УЗ колебаний с частотой большей, чем 100 мГц. УЗ более высокой частоты затухает настолько, что колебания поглощаются непосредственно у поверхности излучателя.
На практике используются УЗ колебания с частотой до 25 мГц [2,3]. Колебания таких высоких частот могут распространяться только в кристаллах.
Источник