Ультразвук

     УЛЬТРАЗВУК

     Ультразвук – упругие волны высокой (более 20 кГц) частоты. Хотя о существовании ультразвука учёным было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.

     Генерация ультразвуковых (УЗ) волн. Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. В газовой среде УЗ-волны обычно возбуждаются механическими излучателями разного рода – сиренами прерывистого действия. Мощность ультразвука – до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. УЗ-волны в жидкостях и твёрдых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

     Сирена – один из видов механических УЗ-излучателей. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены имеют камеру, закрытую сверху диском (статором) с большим количеством отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске – роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают. Основная задача при изготовлении сирен – это, во-первых, увеличить число отверстий в роторе и, во-вторых, увеличить скорость его вращения. Однако совместить эти требования очень трудно.

     Первый  ультразвуковой свисток сделал в  1883 г. англичанин Ф. Гальтон. При пропускании под высоким давлением воздуха через маленькую цилиндрическую резонансную полость в результате удара цилиндрического поршня о губу (металлическую пластинку) в зазоре генерируется ультразвук частотой около 170 кГц (определяется размерами кольцевого сопла и губы). Мощность свистка Гальтона невелика, его в основном применяют для подачи команд при дрессировке собак.

     Применение  ультразвука

     Медицина

     Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет, но до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме его воздействия на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый микромассажем.

     Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.

     Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей мозга и постановки диагноза.

     Акушерство – область медицины, где эхоимпульсные УЗ-методы наиболее прочно укоренились, как, например, ультразвуковое исследование (УЗИ) движения плода, которое недавно прочно вошло в практику. Сейчас происходит накопление информации по движению конечностей плода, псевдодыханию, по динамике сердца и сосудов. Пока исследуются физиология и развитие плода, а до обнаружения аномалий пока ещё далеко.

     Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологий и аномалий его структур в случае непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Область позади глаза – орбита – доступна обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов исследования патологий этой области.

     Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных сосудов. Это связано с возможностью быстрого получения пространственной информации, а также возможностью её объединения с томографической визуализацией.

     Терапия и хирургия. Давно известно, что УЗ-излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил его повреждающее действие на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что УЗ-волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь недавно стал намечаться научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии УЗ-излучения с биологической средой. Терапевтический ультразвук можно разделить на ультразвук низких и высоких интенсивностей – соответственно неповреждающий нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты) и стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений (физиотерапия и некоторые виды терапии рака). При более высоких интенсивностях основная цель – вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях (хирургия). Электронная аппаратура используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком.

     Оценка  безопасности применения ультразвука  в медицине

     Пока  невозможно выделить один или даже несколько физических параметров, которые  служили бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих  предсказать конечный биологический  эффект. И всё же полезно выдвинуть  некоторые критерии для правильного  применения ультразвука:

     1. Оператор должен использовать  минимальные интенсивности и  экспозиции, позволяющие получить  у пациента желаемый клинический  эффект.

     2. Обслуживающий персонал не должен  облучаться без необходимости.

     3. Все процедуры должны выполняться  хорошо обученным персоналом  или под его руководством.

     Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление в волне обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения косяков рыбы или других подводных объектов. Одна из первых практических УЗ-систем обнаружения подводных лодок появилась в конце Первой мировой войны.

     Ультразвуковой  расходомер. Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается со скоростью потока, то вычитается из неё. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, в итоге вычисляется скорость потока, а по ней – и массовая скорость (расход). Этот измеритель может применяться как в замкнутом контуре (например, для исследований кровотока в аорте или охлаждающей жидкости в атомном реакторе), так и в открытом (например, реки).

     Химическая  технология. Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств этой среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую УЗ-химией. Она исследует и стимулирует такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, диполимеризация, ускорение реакций.

     УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами в металлических расплавах, и разрушает оксидную плёнку алюминия, и позволяет производить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

     УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей из очень твёрдых и хрупких материалов, как, например, стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая сталь. В промышленности также используется большой ассортимент оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенцев с малогабаритных деталей.

     Широко  применяется ультразвук для приготовления  однородных смесей. Ещё в 1927 г. американские учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и облучить ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, т.е. мелкая взвесь масла в воде. Это широко используется в промышленности для изготовления лаков, красок, фармацевтических изделий, косметики.