Ультразвук

Введение 

     Во  второй половине XX века особенно бурное развитие в науке и технике  приобрели направления, связанные  с понятием "ультразвук". Его  применение охватывает частотный диапазон от слышимого звука, до предельно  достижимых высоких частот (2х10⁴ - 1х10¹³ Гц), а диапазон мощностей - от долей милливатта до десятков киловатт.

     С этим понятием сегодня связаны целые  области современной физики, промышленных технологий, информационной и измерительной  техники, медицины, биологии и бытовых  приборов. На основании разнообразных воздействий ультразвука на вещество и материалы образовалось целое технологическое направление - ультразвуковые технологии. Интерес к ультразвуку и ультразвуковой технике все возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности.

     В последнее десятилетие XX века ультразвуковые технологии стали входить в быт  миллионов людей - были созданы ультразвуковые устройства для стирки, дезинфекции  и дезодорации, ультразвук широко применяется  в косметологии, применяется некоторыми молочными заводами для стерилизации. Процессы ультразвуковой гомогенизации используются при изготовлении продуктов детского и диетического питания .Ультразвук применяется в фармации, медицине, промышленности и т.д. 
 
 

1. Понятие о ультразвуке.

   Ультразвук - упругие колебания с частотами выше диапазона слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в виде волны в газах, жидкостях и твердых телах или образующие в ограниченных областях этих сред стоячие волны. 
      Источники ультразвука - все виды ультразвукового технологического оборудования, ультразвуковые приборы и аппаратура промышленного и медицинского назначения. 
     Воздушный ультразвук - ультразвуковые колебания в воздушной среде. 
    Уровень звукового давления - выраженное в логарифмических единицах отношение среднего квадратического значения звукового давления в определенной полосе частот к стандартизованному исходному значению звукового давления. 
     Предельно допустимый уровень ультразвука - уровень, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 ч в неделю в течение всего рабочего стажа не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Соблюдение ПДУ ультразвука не исключает нарушения здоровья у сверхчувствительных лиц. 
     Нормируемыми параметрами контактного ультразвука в соответствии с СН 9 - 87 РБ 98 являются уровни звукового давления в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40,0; 50,0; 63,0; 80,0; 100,0 кГц (табл. 1). 
 

   Таблица 1.Предельно допустимые уровни звукового  давления воздушного ультразвука на рабочих местах.

2. Практическое  применение ультразвука.

Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время  более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части  спектра акустических волн. С ним  связаны целые области современной физики, промышленной технологий, информационной и измерительной техники, медицины и биологии. 
          Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё в прошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние два три десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и развитием таких её разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники и в особенности с рождением квантовой электроники. Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надёжных средств излучения и приёма акустических волн, с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой — позволивших продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот. 
         Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощностей от долей милливатта до десятков киловатт. Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей; в качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях; ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины. На основании разнообразных воздействий ультразвука на вещество образовалось целое технологическое направление — ультразвуковая технология. В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли. В самое последнее время сформировались как самостоятельные области акустоэлектроника и акустооптика. Первая из них связана с обработкой электрических сигналов, использующей преобразование их в ультразвуковые. Из устройств акустоэлектроники наиболее известными и давно используемыми являются линии задержки и фильтры. Достижения в области изучения поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом теле привели к существенному расширению возможностей этих устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обеспечивающих более сложную обработку сигналов. Акустооптика, связанная с обработкой световых сигналов посредством ультразвука, является одной из самых молодых и быстро развивающихся областей ультразвуковой техники. К новейшим ультразвуковым методам принадлежит акустическая голография, перспективы которой весьма многообещающи, поскольку она создаёт возможность получения изображений предметов в непрозрачных для световых лучей средах.

        В последнее время все более широкое распространение в производстве находят технологические процессы, основанные на использовании энергии ультразвука. Ультразвук нашел также применение в машиностроении, металлургии, приборостроении, радиотехнической, химической, легкой промышленности и ряде других. Он используется в целях анализа, контроля и для интенсификации технологических процессов. Из методов ультразвукового контроля наибольшую известность получила дефектоскопия. Так, с помощью высокочастотного ультразвука контролируют прочность сварочных швов, заклепочных соединений котлов, качество разнообразной продукции прокатных, кузнечных и прессовых цехов, деталей автомашин, турбин самолетов.

       Низкочастотные ультразвуковые  колебания с их преимущественным  механическим эффектом широко  используются для промывки и  обезжиривания металлических деталей, оптических стекол, изделий из керамики. 
          Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы диагностики, об ультразвуковой терапии, занявшей прочное положение среди современных физиотерапевтических методов, и, наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в медицине — ультразвуковой хирургии. 
         Наряду с применениями практического характера, ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Нельзя себе представить современную физику твёрдого тела без применения ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фононах, их поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуждениями в твёрдом теле.

       В изучении жидкостей и газов широко используются методы молекулярной акустики; всё большую роль играют ультразвуковые методы в биологии.

        Ультразвук оказался эффективным при изготовлении эмульсий из несмешивающихся жидкостей, для ускорения электролитических процессов в гальванотехнике, при расщеплении целлюлозы в бумажной промышленности.      

     Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря  его проникновению в самые  различные области человеческой деятельности. Растёт число публикаций о нём в газетах и журналах, в популярных изданиях.

3. Действие  ультразвука на организм человека.

        Ультразвуком называют механические колебания, распространяющиеся в упругих средах (жидкости, газе) и твердых телах. Воспринимается он с верхним порогом слышимости свыше 20 кГц, причем звуковое ощущение могут вызывать и более высокие частоты, но при очень высоких интенсивностях (120—145 дБ). Источниками ультразвука на производстве являются оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологических процессов, технического контроля и измерения, а также установки, при эксплуатации которых ультразвук возникает как сопутствующий фактор. 
        Ультразвуковые колебания по характеру действий оказывают механический, термический и физико-химический эффекты. Сама природа его действия (сжатие-растяжение) обеспечивает механический эффект, тогда как переход механической энергии в тепловую — термический. Уникальным свойством ультразвука является образование кавитации (микропузырьков), что обеспечивает его физико-химический эффект. Кавитация возникает только при распространении ультразвука в жидкостях, а также в биологических тканях. В тканях кавитация сопровождается повышением температуры и давления, возникновением электрических зарядов, люминесцентного свечения, ионизацией молекул воды, распадающихся на свободные радикалы и атомарный водород. В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды крайне активны, что обусловливает также характер общебиологического действия ультразвука. 
        Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома. 
       Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. ^{Методы  защиты от ультразвука.}

      Промышленные  ультразвуковые установки работают в основном при интенсивности (60–70) кВт/м². Они состоят из генератора электрических импульсов и преобразователя, который трансформирует импульсы в ультразвуковые колебания. При обслуживании этих установок работающие могут подвергаться воздействию ультразвука, во-первых, при его распространении в воздухе (чаще всего вместе с шумом) и, во-вторых, при непосредственном соприкосновением с жидкими и твердыми телами, по которым распространяется ультразвук (с частотами от (18-30) кГц контактное воздействие).

     Средства  защиты от ультразвука также подразделяются на средства коллективной и индивидуальной защиты.

     Профилактические  мероприятия при обслуживании ультразвукового технологического оборудования должны быть направлены на ограничение воздействия шума и ультразвуковых колебаний, распространяющихся в воздухе. Поскольку низкочастотные ультразвуки и высокочастотные звуки имеют одни и те же свойства, а закономерности их распространения очень близки, то и мероприятия по защите от них совпадают:

• уменьшение вредного излучения ультразвуковой энергии в источнике ее возникновения;
• локализация действия ультразвука конструктивными и планировочными решениями;
• звукоизоляция оборудования, применение звукопоглощающих и отражающих устройств;
• размещение ультразвукового оборудования в отдельных помещениях;
• организационно-практические мероприятия.

   Кроме того, к эксплуатации ультразвукового оборудования предъявляются специфические требования безопасности. Главное из них – должен быть полностью исключен непосредственный контакт рук работающего с жидкостью, ультразвуковым инструментом и обрабатываемыми деталями, в которых возбуждаются ультразвуковые колебания.

   Для уменьшения вредного излучения ультразвуковой энергии в источнике рекомендуется повышать рабочие частоты источников ультразвуков, что обеспечивает уменьшение интенсивности ультразвука, а также уменьшить паразитные излучения звуковой энергии.

   Для локализации ультразвука обязательным является применение звукоизолирующих кожухов, полукожухов, экранов. Если эти меры не дают положительного эффекта, то ультразвуковые установки следует размещать в отдельных помещениях и кабинах, облицованных звукопоглощающими материалами.